Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки информации

Современный компьютер состоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов, Для лучшего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в целом вводится понятие уровней представления компьютера.

Цифровой логический уровень – уровень логических схем базовой системы элементов.

Микроархитектурный уровень – уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регистры различного назначения, устройство обработки поступающих команд, устройство преобразования данных, устройство управления.

Командный уровень – набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.

Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня.

Архитектура командного уровня называется обычно компьютерной архитектурой или компьютерной организацией.

Архитектуры с фиксированным набором устройств

Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры 1-го и 2-го поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. АЛУ обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода / вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

В начале 70-х гг. фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитектура позволяла свободно подключать любые периферийные устройства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свободно распространяемым документом, что позволяло фирмам – производителям периферийного оборудования разрабатывать контроллер для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальными устройствами – портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращение к нему процессора происходит, также как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой. Хотя архитектура компьютера осталась прежней, структура современного персонального компьютера имеет вид, представленный на рис. 2.12,

Рис. 4. Структура персонального компьютера

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятся системный таймер; устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью и периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для передачи.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Для подключения специфических устройств часть обшей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры, имеет слоты расширения для установки плат контроллеров.

Архитектуры многопроцессорных вычислительных систем

Персональные компьютеры позволяют реализовать многие компьютерные технологии, начиная от работы в Интернете, и кончая построением анимационных трехмерных сцен. Однако существуют задачи, объем вычислений которых превышает возможности персональною компьютера. Для их решений применяются компьютеры с гораздо более высоким быстродействием. Для получения высокого быстродействия на существующей элементной базе используются архитектуры, в которых процесс обработки распараллеливается и выполняется одновременно на нескольких обрабатывающих устройствах Существует три основных подхода к построению архитектур таких компьютеров: многопроцессорные, магистральные и матричные архитектуры.

Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с обшей шиной. Два или более процессоров и один или несколько модулей памяти размешены на общей шине. Каждый процессор, для обмена с памятью, проверяет, свободна ли шина, и, если она свободна, он занимает ее. Если шина занята, процессор ждет, пока она освободится. При увеличении числа процессоров производительность системы будет ограничена пропускной способностью шины. Чтобы решить эту проблему, каждый процессор снабжается собственной локальной памятью (рис. 2.13), куда помешаются тексты исполняемых программ и локальные переменные, обрабатываемые данным процессором. Общее запоминающее устройство используется для хранения общих переменных и общего системного программного обеспечения. При такой организации нагрузка на общую шипу значительно снижается.

Рис. 5. Архитектура многопроцессорной вычислительной системы с общей шиной

Один из процессоров выделяется для управления всей системой. Он распределяет задания на исполнение программ между процессорами и управляет работой общей шины.

Периферийный процессор осуществляет обслуживание внешних устройств при вводе и выводе информации из обшей памяти. Он может быть того же типа, что и остальные процессоры, но обычно устанавливается специализированный процессор, предназначенный для выполнении операций управления внешними устройствами.

Магистральный принцип является самым распространенным при построении высокопроизводительных вычислительных систем. Процессор такой системы имеет несколько функциональных обрабатывающих устройств, выполняющих арифметические и логические операции, и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Данные, считанные из памяти, размещаются в регистрах и из них загружаются в обрабатывающие устройства. Результаты вычислений помешаются в регистры и используются как исходные данные для дальнейших вычислений. Таким образом, получается конвейер преобразования данных: регистры – обрабатывающие устройства – регистры – …. Архитектура магистрального суперкомпьютера приведена на рис. 6. Число функциональных устройств равно шести («Сложение», «Умножение» и т.д.), однако в реальных системах их количество может быть иным. Устройство планирования последовательности выполнения команд распределяет данные, хранящиеся в регистрах, на функциональные устройства и производит запись результатов снова в регистры. Конечные результаты вычислений записываются в общее запоминающее устройство.

Рис. 6. Архитектура магистрального суперкомпьютера

В матричной вычислительной системе процессоры объединяются в матрицу процессорных цементов. В качестве процессорных элементов могут использоваться универсальные процессоры, имеющие собственное устройство управления, или вычислители, содержащие только АЛУ и выполняющие команды внешнего устройства управления. Каждый процессорный элемент снабжен локальной памятью, хранящей обрабатываемые процессором данные, но при необходимости процессорный элемент может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом случае, программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выполняются параллельно. Во втором варианте все процессорные элементы одновременно выполняют одну и ту же команду, поступающую от устройства обработки команд на все процессорные элементы, но над разными данными, хранящимися в локальной памяти каждого процессорного элемента. Вариант архитектуры с общим управлением показан на рис. 7. Обмен данными с периферийными устройствами выполняется через периферийный процессор, подключенный к общему запоминающему устройству.

Рис. 7. Архитектура матричной вычислительной системы с общим управлением

Классификация компьютеров по сферам применения

Наиболее часто при выборе компьютера для той или иной сферы применения используется такая характеристика, как производительность, под которой понимается время, затрачиваемое компьютером для решения той или иной задачи. Понятие «производительность» определяет и некоторые другие характеристики компьютера, такие, например, как объем оперативной памяти. Вполне естественно, что компьютер с высокой скоростью обработки должен снабжаться большим объемом оперативной памяти, так как иначе его производительность будет ограничена необходимостью подкачки информации из более медленной внешней памяти. Можно считать, что производительность является некоторой интегрированной характеристикой, определяющей общую вычислительную мощность компьютера, и, соответственно, области его применения.

По производительности компьютеры можно условно разбить на три класса: суперкомпьютеры; мэйнфреймы; микрокомпьютеры.

Суперкомпьютеры – компьютеры с производительностью свыше 100 млн операций в секунду. Применяются для решения таких задач, как моделирование физических процессов, гидрометеорология, космические исследования и других задач, которые требуют огромных объемов вычислений. Выполняются обычно по многопроцессорной архитектуре, имеют большой набор внешних устройств, и, как правило, выпускаются небольшими партиями для конкретной задачи или конкретного заказчика. Обычно важность решаемой задачи такова, что основным параметром суперкомпьютера является его высокая производительность, а такие параметры, как стоимость, размеры или вес, не являются определяющими.

Мэйнфреймы – компьютеры с производительностью от 10 до 100 млн операций и секунду. Они используются для решения таких задач, как хранение, поиск и обработка больших массивов данных, построение трехмерной анимационной графики, создание рекламных роликов, выполняют роль узлов глобальной сети, используемой торговыми или компьютерными фирмами с большим потоком запросов. Выполняются по многопроцессорной архитектуре с обшей шиной и небольшим числом мощных процессоров. Конструктивно выполняются и виде одной стойки или» настольном варианте. Стоимость мэйнфреймом колеблется от тридцати до трехсот тысяч долларов.

Микрокомпьютеры – компактные компьютеры универсального назначения, в том числе и для бытовых целей, имеющие производительность до 10 млн. операций в секунду.

Микрокомпьютеры или персональные компьютеры, можно классифицировать по конструктивным особенностям: стационарные (настольные) и переносные. Переносные компьютеры, и спою очередь, можно разделить на портативные (laptop), блокноты (notebook) и карманные (Palmtop). Портативные компьютеры по размеру близки к обычному портфелю, они, в настоящее время, уступают место более компактным. Блокноты по размеру близки к книге крупного формата и имеют массу около 3 кг. Карманные компьютеры в настоящее время являются самыми маленькими персональными компьютерами. Они не имеют внешней памяти на магнитных дисках, она заменена на энергонезависимую электронную память. Карманный компьютер можно использовать как словарь-переводчик, оганайзер или записную книгу.

Функциональная организация персонального компьютера

Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

• тина» система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC);

• сокращенный набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC).

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих ПК имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду, наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управлении процессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнении.

RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC-архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Упрощенная схема процессора, отражающая основные особенности архитектуры микроуровня, приведена на рис. 8. Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит:

• буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшай время ее выборки из памяти;

• дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды;

• управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;

• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.

Рис. 8. Архитектура CISC процессора

Поступивший от дешифратора команд адрес записывается в счетчик микрокоманд устройства выборки, и начинается процесс обработки последовательности микрокоманд. Каждый разряд микрокоманды связан с одним управляющим входом какого-либо функционального устройства. Так, например, управляющие входы регистра хранения «Сброс», «Запись», «Чтение» соединены с соответствующими разрядами микрокоманды. Общее число разрядов микрокоманды может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч и равно общему числу управляющих входов всех функциональных устройств процессора. Часть разрядов микрокоманды подается на устройство управления выборкой очередной микрокоманды и используется для организации условных переходов и циклов, так как алгоритмы обработки команд могут быть достаточно сложными.

Выборка очередной микрокоманды осуществляется через определенный интервал времени, который, в свою очередь, зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, с которой осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота является важной характеристикой процессора, так как определяет скорость выполнения процессором команд, и, в конечном итоге, быстродействие процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специальных регистров, полноразрядного сумматора и схем местного управления.

Регистры общего назначения (РОН) используются для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Необходимо отметить, что если операнды команды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается. Одна из причин, почему программисты иногда обращаются к программированию на языке машинных команд, это наиболее полное использование РОН для получения максимального быстродействия при выполнении программ, критичных по времени.

Рассмотрим кратко характеристики процессоров, используемых в современных ПК типа IBM PC. Процессоры для этих ПК выпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма Intel. Ее последней разработкой является процессор Pentium 4, выпуск которых начат в конце 2001 г. К основным особенностям архитектуры Pentium 4 можно отнести следующие:

• в систему команд добавлены новые команды, ориентированные на работу с видео- и аудиопотоками;

• имеется специальный внутренний кэш, размером 256 Кбайт, который работает на тактовой частоте процессора, и имеет собственную шину связи с процессором, обеспечивающую скорость обмена 48 Гбайт/С;

• внутренняя микроархитектура процессора базируется на двух параллельно работающих конвейерах команд (суперскалярная архитектура), которые исполняют сразу несколько команд в разных фазах обработки (чтение, дешифрация, загрузка операндов, исполнение), конвейеры заканчиваются двумя АЛУ, работающими на удвоенной частоте процессора для коротких арифметических и логических команд, и АЛУ для выполнения медленных команд:

• процессор работает на частотах 1500–3000 МГц и содержит около 42 млн транзисторов.

Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессоров Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базового варианта процессора. Однако следует отметить, что последние модели процессора Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его.

Фирма AMD (Advanced Micro Devices) выпускает процессоры, совместимые по системе команд с Intel Pentium 4 – Athlon (K7). Этот процессор выполнен по суперскалярной архитектуре с тремя конвейерами команд, работающими параллельно и способными обрабатывать до девяти инструкций за один цикл работы процессора. Тестирование процессора К7 и его сравнение с Pentium 4 показывает, что К7 не уступает ему и даже превосходит его в некоторых случаях. Стоимость процессора Athlon на 20–30% дешевле процессора Intel. Процессор К7 требует для своей работы собственной общей шины, стандарт которой отличается от стандарта шины PCI, которая является основной для процессора Pentium 4. Поэтому замена одного типа процессора другим требует и замены системной платы, на которой расположен набор микросхем основных функциональных устройств ПК.

Оперативное запоминающее устройство

Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или RAM (Random Access Memory) – памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняется одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схемы памяти подается питание, т.е. она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время. оля накопления (стекания) заряда на конденсаторе. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырех или шести транзисторах. Однако из-за большего числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Например, современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256–1024 Мбайт информации, а схемы статических ОЗУ только 256–512 Кбайт. Кроме этого статические ОЗУ более энергоемки и значительно дороже. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш-память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее производительности. Одним из способов увеличения быстродействия динамического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адресом во втором модуле, байт со вторым адресом и первом модуле и т.д. Поскольку обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способом увеличения быстродействия является чтение из памяти содержимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, расположенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах – защелках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячеек, то ее содержимое читается из защелки.

Несмотря на разработку новых типов схем динамических ОЗУ, снижающую время обращения к ним, это время все еще остается значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производительности процессора. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от англ. cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратится к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16–128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт – 2 Мбайта. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, ее объем может составлять 16–1000 Мбайт.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит по-следовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:

• ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.

• Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информации осуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом повышенной мощности, для этого в корпусе микросхемы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым стеклом.

Внутренние шины передачи информации

Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется шириной – числом параллельных проводников для передачи информации. Другим важным параметром шины является тактовая частота шины – это частота на которой работает контроллер шины при формировании цикла передачи данных.

Несмотря на то, что производители компьютеров постоянно предлагают новые варианты протоколов работы общих шин, которые обеспечивают более высокую производительность операций обмена информацией, ее пропускная способность оказывается недостаточной для обеспечения данными таких высокопроизводительных функциональных узлов, как центральный процессор, и некоторых внешних устройств, таких, например, как высокопроизводительные видеоподсистемы. Поэтому используют локальные шины.

Ниже прицелены обозначения и основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в ПК компании IBM.

Общая шипа РСI (Peripheral Component interconnect) применяется в настольных компьютерах, в настоящее время используется модификация PCI 2.1. Тактовая частота контроллера этой шины 66,100,133 МГц, ширина шины адреса – 32, а шины данных – 64 разряда. Пиковая пропускная способность шины PCI 2.1 528 Мбайт/c.

Общая шина PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры, сравнимые с параметрами шины РСI.

Локальная шина для подключения видеоконтроллера AGP (Accelerated Graphics Port) позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видеоданных. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения / записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке режима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/c.

Накопители на магнитный дисках

Магнитные диски в качестве запоминающей среды используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Количество дорожек на диске определяется шагом перемещения головки и зависит от технических характеристик привода диска и качества самого диска. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемещения головки на нужную дорожку и времени одного оборота диска. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков – секторов. Сектор содержит минимальный блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами.

Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска, которое выполняется специальными программами и должно быть проведено перед первым использованием диска для записи информации.

Кроме физической структуры диска, говорят еще о логической структуре диска. Логическая структура определяется файловой системой, которая реализована на диске и зависит от операционной системы компьютера, на котором используется данный диск. Логическая структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.

Дисководы магнитных дисков делятся на дисководы для сменных носителей (дискет) и дисководы жестких дисков (винчестеры), которые устанавливаются в системном блоке компьютера. Сменные магнитные диски изготавливаются на основе гибкого синтетического материала, на который с обеих сторон нанесен слой магнитного материала. Такие гибкие диски имеют объем хранимой информации 1,44–2,88 Мбайт. Все сменные носители на дисках, в том числе и оптические диски, характеризуются своим диаметром, или форм-фактором. Наибольшее распространение получили гибкие магнитные диски с форм-фактором 3,5 дюйма. Но существуют диски с форм-фактором 5,25 дюйма и 1,8 дюйма.

Основа жесткого диска изготавливается из сплавов алюминия или керамики, на который наносится магнитный слой. Жесткость диска позволяет увеличить плотность записи, по сравнению с гибким диском. Несколько жестких дисков надеваются на одну общую ось и представляют собой пакет дисков. Такие пакеты позволяют резко увеличить объем информации, хранящейся на одном дисководе жесткого диска. В настоящее время используются дисководы с объемом 120–160 Гбайт, и это значение постоянно увеличивается.

Накопители на оптическим дисках

Оптический компакт-диск (Compact Disk (CD)), который был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для записи звуковой информации, произвел переворот и в компьютерной технике, так как идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объем информации, записанной на компакт-диске, составляет 600–700 Мбайт. К достоинствам компакт-диска можно отнести и его относительную дешевизну в массовом производстве, высокую надежность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей.

Запись на компакт-диск при промышленном производстве производится в несколько этапов. Сначала с использованием мощного инфракрасного лазера в стеклянном контрольном диске выжигаются отверстия диаметром 0,8 микрон. По контрольному диску изготавливается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и получают диск с таким же набором впадин, что и отверстий в Контрольном диске. Со стороны впадин на диск напыляется тонкий слой алюминия, который затем покрывается лаком, защищающим его от царапин.

При воспроизведении лазерный диод небольшой мощности освещает диск со стороны, противоположной нанесенному слою алюминия, который является отражателем светового луча лазера, а впадины превращаются в выступы. Впадины на диске имеют глубину, равную четверти длины волны лазера, из-за чего фотодиод, принимающий отраженный свет лазера, получает света от выступа меньше, чем от площадки.

Впадины и площадки записываются на диск по спирали. Запись начинается от центра диска и занимает приблизительно 32 мм диска. Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска, ее общая длина составляет 5600 М. На всем протяжении спирали скорость записи остается постоянной, поэтому специальное устройство при воспроизведении следит за постоянством линейной скорости, изменяя значение угловой скорости вращения диска. Так, на внутренней стороне скорость равна 530 оборотов в минуту, а на внешней стороне скорость падает до 200 оборотов в минуту, при этом линейная скорость остается постоянной, равной 1,2 м/с.

В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable (CD-R). Отражающим слоем у них служит тонкий слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбамидной смолы вводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, которые при воспроизведении воспринимаются как выступы.

Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи – CD-Rewritable (CD-RW). На этих дисках слой красителя может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. Эти два состояния имеют разную отражательную способность. Лазер устройства имеет три уровня мощности. При записи мощность лазерного диода повышается и расплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкой отражательной способностью, что соответствует выступу (запись информации). При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с высокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощность лазера используется для считывания информации.

Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи – цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Впадины на них имеют меньший диаметр (0,4 микрона), а спираль размещается с плотностью 0,74 микрона между дорожками (вместо 1,6 микрон у CD). Это позволило увеличить объем информации на диске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечивается применением двусторонних DVD.

Флэш-память

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств, таких как МР3-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры, потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значительной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г.

Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash-memory). Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с неограниченным числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания, отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трех слоев. Средний слой, имеющий толщину порядка 1,5 нм, изготовлен из ферроэлектрического материала. Две крайние пластины представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. При подаче напряжения, на пересечении проводников, возникает напряжение, достаточное для изменения направления магнитного момента атомов его кристаллической решетки, расположенной под местом пересечения проводников. Направление магнитного поля сохраняется и после снятия внешнего электрического поля. Изменение направления магнитного поля ферроэлектрика изменяет сопротивления этого участка слоя. При считывании, на один крайний слой подается напряжение а на втором слое замеряется напряжение, прошедшее через ферроэлектрик, которое будет иметь разное значение для участков с разным направлением магнитного момента. Такой тип флэш-памяти получил название FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом).

Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Размеры этого блока 40х16х7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровых устройствах, имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее время объем флэш-памяти достигает нескольких Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт/с.