Преобразование цифровых сообщений в дискретные и аналоговые

5.Архитектура ЭВМ. Архитектура — это общие принципы построения ЭВМ. При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

Архитектура фон Неймана

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) предполагает, что компьютер содержит следующие основные компоненты:

· центральный процессор (ЦП);

· оперативную память (ОП);

· внешние запоминающие устройства (ВнЗУ);

· устройства ввода (УВв);

· устройства вывода (УВыв).

В соответствии с этой архитектурой ЦП, содержащий в своем составе устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняет следующие функции:

· управляет работой всех устройств;

· производит всю работу по обработке данных;

· осуществляет обмен данными между всеми устройствами машины.

В рассматриваемой архитектуре обмен данными между устройствами, и том числе и с оперативной памятью, всегда происходит через ЦП. Поскольку при решении широкого класса задач обмен данными между внешними устройствами, и особенно между внешними устройствами и оперативной памятью происходит весьма интенсивно, центральный процессор вынужден "отвлекаться" от выполнения основных действий по переработке данных и его возможности используются неэффективно. Это является недостатком классической архитектуры (архитектуры фон Неймана).

Шинная архитектура

От отмеченного выше недостатка архитектуры фон Неймана в значительной степени свободна так называемая шинная архитектура ЭВМ.

Все устройства соединены в единый комплекс с помощью так называемой общей шины, представляющей собой:

· линии передачи данных (шина данных);

· линии передачи адресов (шина адреса);

· линии передачи сигналов управления (шина управления).

Назначение каждой шины (линии) следует из их названий. Так, по шине управления передаются сигналы управления, по шине данных - данные, по шине адреса - адреса устройств и ячеек памяти устройств, для которых предназначены данные и сигналы управления.

В шинной архитектуре, как и в классической, основные функции управления и обработки данных принадлежат центральному процессору. Поэтому многие специалисты считают, что это единая архитектура — классическая (фон Неймана), имеющая две разновидности.

Современные ПК строятся исключительно на основе шинной архитектуры.

6.Центральный процессор. Центральный процессор (ЦП) - это устройство, выполняющее основные действия по обработке данных и управлению работой других устройств компьютера.

Основными компонентами ЦП являются:

· АЛУ - арифметико-логическое устройство;

· УУ - устройство управления;

· набор регистров.

В АЛУ выполняются все действия по обработке данных: арифметические и логические операции.

УУ управляет всеми устройствами компьютера.

Регистры используются для временного хранения данных, обрабатываемых в ЦП. Обладают высокой скоростью чтения/записи данных. Количество регистров обычно невелико - в пределах нескольких единиц.

Основные характеристики ЦП:

• разрядность;
• тактовая частота;
• наличие и объем Кэш-памяти.

Разрядность – это количество двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. Сейчас в основном выпускаются 64-разрядные процессоры.

Тактовая частота – это частота генератора, задающего временные интервалы (такты) работы ЦП. Любая операция (команда) выполняется за целое число тактов. Самая быстрая операция может быть выполнена за один такт. Таким образом, тактовая частота характеризует быстродействие ЦП (именно ЦП, а не компьютера, поскольку на быстродействие компьютера влияет еще целый ряд других факторов). В настоящее время тактовая частота массовых процессоров – несколько гигагерц (ГГц).

Кэш-память (Cache) - быстродействующая память, используемая для временного хранения промежуточных результатов работы ЦП. Не является обязательным компонентом ЦП, но наличие ее позволяет в ряде случаев существенно повысить скорость обработки данных. Это происходит потому, что скорость обмена данными между АЛУ и Кэш-памятью значительно выше скорости обмена между АЛУ и ОП. Правда, следует отметить, что эффект от Кэш-памяти проявляется лишь для определенного класса задач. Объем Кэш-памяти: сотни Кб - единицы Мб.

Устройства памяти, подключаемые к ядру, называются внешними запоминающими устройствами(ВнЗУ).

Отличительные особенности ВнЗУ:

· они энергонезависимы, т.е. при отключении питания данные в них сохраняются;

· они имеют относительно большой (по сравнению с ОЗУ) объем памяти;

· у них относительно большое (по сравнению с ОЗУ) время доступа к данным. (Ориентировочно разница составляет 2 порядка (около 100 раз), т.е. примерно во столько раз медленнее происходит чтение/запись данных).

Основные типы ВнЗУ:

· накопители на магнитных дисках;

· накопители на оптических дисках;

· флэш-память (или флеш-память, как предпочитают писать некоторые авторы).

Жесткий диск

Для жесткого диска применяются следующие названия и обозначения:

· Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД);

· Винчестер;

· Hard Disk Drive (HDD);

· Винт, хард (но это уже жаргон).

Диск (жаргонное название "блин") изготавливается из немагнитного материала (обычно это алюминиевый сплав), на который наносится магнитное покрытие. Над поверхностью диска перемещается коромысло, на конце которого находится магнитная головка. Вращение диска и поворот коромысла обеспечивают магнитной головке доступ к любой точке рабочей поверхности диска.

Информация на диске записывается на концентрически расположенных дорожках. Дорожки разбиты на сектора. Емкость одного сектора обычно равна 512 байт.

Для увеличения емкости накопителя на одной оси размещают несколько дисков, и чтение/запись осуществляются с помощью блока головок.

Применяемые ныне технологии теоретически позволяют достичь плотности записи примерно 12 Гб/см², т.е. на одном квадратном сантиметре поверхности диска может быть записано до 12-и гигабайт информации. В ближайшее время в продажу должны поступить НЖМД, изготовляемые по технологиям, допускающим, как утверждают их разработчики, плотность записи до 1 Тб/см² (!!!).

На сегодняшний день (2008 г.) типичная емкость НЖМД для ПК - примерно 200 Гб.

Скорость вращения шпинделя в НЖМД современных ПК - 7200 или 10000 об/мин, что обеспечивает скорость чтения/записи (с учетом и других характеристик) примерно 44-110 Мб/с.

Время позиционирования магнитных головок на нужной дорожке - примерно 10 мс (0,01 секунды).

Оптические диски

В оптических дисках чтение информации осуществляется с помощью луча лазера (отсюда и название этого типа накопителей).

Компакт-диски

По-русски их называют "Си-Ди" (CD - Compact Disk).

Информация на компакт-дисках, в отличие от винчестеров, записывается на одной-единственной дорожке, образующей спираль. Данные кодируются путем изменения отражающей способности поверхности диска вдоль дорожки, т.е. физически представляют собой последовательность отражающих и не отражающих участков. Отражение интерпретируется как единица, не отражение - как ноль (так, во всяком случае, принято). Рабочая длина волны лазера - 780 нм (1 нм = 10^-9 м). Объем записываемых данных - около 700 Мб.

Существует несколько разновидностей CD, отличающихся способом записи данных.

· CD-ROM (Compact Disk - Read Only Memory). Буквальный перевод: компакт-диск - память только для чтения). Изготавливается обычно в заводских условиях методом штамповки углублений, называемых питами (pit - углубление), с матрицы. Перезапись такого диска невозможна.

· CD-R (Compact Disk - Recordable). Предназначен только для записи в домашних условиях. Данные записываются с помощью луча лазера, вызывающего изменение оптических свойств материала регистрирующего слоя диска (он перестает пропускать свет). Перезапись данных на такой диск невозможна. Впрочем, этот недостаток обусловливает и его достоинство - сравнительно высокую надежность и долговечность хранения данных.

· CD-RW (Compact Disk - ReWritеabe). Допускает многократную перезапись в домашних условиях. Материал, из которого изготавливается регистрирующий слой, под воздействием луча лазера способен многократно менять (терять и снова восстанавливать) свою прозрачность. CD-RW диски выдерживают до 1000 циклов перезаписи. Но за это приходится расплачиваться - надежность хранения данных значительно ниже по сравнению с дисками CD-R. Особенно опасен для них нагрев. Эти диски просто не предназначены для длительного хранения данных.

DVD-устройства

Название возникло как аббревиатура Digital Video Disc - цифровой видео диск. Разработка формата DVD была продиктована необходимостью высококачественной записи видеоинформации (попросту говоря - фильмов) длительностью до 2-х часов. Со временем область использования DVD стала значительно шире, и теперь его название-аббревиатуру трактуют как Digital Versatile Disc - цифровой многофункциональный диск.

Физические явления, лежащие в основе функционирования DVD, мало отличаются от используемых в CD. Различия носят в основном технологический характер. Так, например, в DVD используется лазер с длиной волны 650 или 635 нм (против 780 нм в CD). Это значит, что луч лазера "тоньше", а значит, и расстояние между витками спирали информационной дорожки можно сделать меньше, и расстояние между информационными элементами вдоль информационной дорожки тоже можно сделать меньше. С учетом этого и еще целого ряда усовершенствований удалось значительно повысить плотность записи данных и довести стандартную емкость DVD до 4,7 Гб.

Разработаны двухслойные DVD, т.е. содержащие 2 информационных слоя, один из которых (внешний) полупрозрачный, благодаря чему луч лазера может "добраться" до следующего слоя и прочитать с него данные. Емкость двухслойных дисков - 8,5 Гб.

Следующий ход - создание двусторонних дисков, т.е. таких дисков, в которых обе стороны являются информационными. Емкость таких дисков - до 17 Гб.

Так же, как и CD, в заводских условиях DVD изготавливаются методом штамповки. В домашних условиях запись данных производится воздействием луча лазера на материал регистрирующего слоя. Как и для CD, существует 2 вида DVD-дисков: DVD-R и DVD-RW с теми же достоинствами и недостатками.

Устройство Blu-ray

Это сравнительно новое устройство (привод) для работы с оптическими дисками. В нем используется лазер с синим лучом (отсюда и название: Blue ray - синий луч). Поскольку у синего цвета длина волны меньше, чем у инфракрасного излучения (как в CD) и красного (как в DVD), то и луч лазера "тоньше", и вместе с другими технологическими решениями удается значительно повысить плотность записи. Так однослойный Blu-ray диск имеет емкость 25 Гб, а двухслойный - 50 Гб.

В силу новизны и относительной дороговизны доля этих устройств и носителей в общем объеме продаж пока сравнительно невелика.

Магнитооптические диски

В магнитооптических дисках способ чтения данных - оптический (с помощью луча лазера), а записи - комбинированный (с помощью лазера и намагничивания). Не вникая в тонкости физических процессов, отметим, что используется явление, заключающееся в том, что намагниченные и не намагниченные участки поверхности диска по разному отражают свет, что и позволяет записывать данные. В процессе записи нужные участки поверхности диска точечно прогреваются с помощью луча лазера и намагничиваются с помощью магнита. Кстати, эта особенность обусловливает высокую надежность хранения данных, поскольку для перезаписи, а следовательно, и разрушения данных, необходимо предварительное нагревание диска с последующим перемагничиванием.

В силу относительно высокой стоимости магнитооптические диски широкого применения пока не находят.

Флэш-память

В русскоязычных источниках можно встретить (пока) 2 варианта написания: флэш-память и флеш-память (по-английски: flash). Устройства флэш-памяти часто называют флэш-каратами. Будем использовать вариант "флэш-память" и аббревиатуру "ФП".

ФП состоит из элементарных ячеек, формируемых на поверхности кристалла с помощью микроэлектронных технологий. Главная особенность ячейки ФП - способность сохранять электрический заряд длительное время (до нескольких лет) без энергоподпитки. Величина заряда может быть измерена (это дает возможность читать данные) и изменена (а это возможность записывать данные).

Итак: флэш-память - это твердотельная энергонезависимая перезаписываемая память.

При чтении данных не происходит никаких изменений в структуре вещества ячейки, поэтому количество циклов чтения не ограничено.

При записи (и перезаписи) данных, к сожалению, происходят структурные изменения в ячейке, в результате чего количество циклов записи для одной ячейки ограничено (приводится цифра примерно 10 000 циклов).

В силу небольших размеров и низкого энергопотребления используется в портативных устройствах: цифровых фото- и видеокамерах, мобильных телефонах, аудиоплеерах и др.

Ведутся интенсивные работы по созданию устройств на основе ФП для замены жестких дисков. Такие устройства уже созданы, но пока (пока!) они уступают магнитным дискам по емкости и стоимости (рассчитанной на 1 Гб памяти). Но все совершенствуется, и в любой момент можно ожидать очередного технологического прорыва. Впрочем, и магнитные диски еще далеко не исчерпали своих возможностей.

Сейчас мы в основном используем ФП как средство временного хранения и переноса данных. Для этого устройства в русском языке уже прочно закрепилось название "флэшка". Вот что следует учитывать владельцу и пользователю флэшки:

· Флэшка - это все-таки средство переноса и временного хранения данных. Для ценных данных всегда следует делать резервную копию на другом носителе.

· Перед извлечением из компьютера всегда следует выполнять операцию безопасного извлечения.

· Ни в коем случае не извлекать из компьютера в момент чтения и, в особенности, в момент записи данных. Это может привести не только к разрушению данных, но и выходу флэшки из строя.

· Следует избегать воздействия электромагнитных полей. Источники полей: различные энергоустановки, досмотровые системы (например, в аэропортах), мобильные телефоны (да-да!) и др.

· Для подключения лучше всего использовать разъем в корпусе компьютера. При использовании шлейфа (удлинителя) следует проследить, чтобы он не проходил поблизости от проводов электропитания.

Если все-таки с Вашей любимой флэшкой что-то случилось, не нужно сразу паниковать. Следует обратиться к специалисту (если знаете такового), и вполне возможно, что удастся восстановить если не полностью, то хотя бы частично, ее работоспособность и данные.

Другие устройства

Гибкие диски

Долгое время - почти 20 лет - гибкие диски были чуть ли не основным средством переноса данных с одного компьютера на другой и средством резервного копирования. В настоящее время выпуск как приводов, так и носителей, прекращен.

Стримеры

Это накопители на магнитных лентах. Скорость чтения/записи данных у них сравнительно невелика. Используются в организациях как средство резервного копирования больших объемов данных.