Тема 7. Тема адаптеры. Запоминающие устройства ЭВМ
 Скачать 181.96 Kb.
|
|
Тема 7. АДАПТЕРЫ. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ. Рассматриваемые вопросы: Адаптеры. Запоминающие устройства ЭВМ. Состав, устройство и принцип действия основных запоминающих устройств. Внешние запоминающие устройства. Адаптеры Ввиду того что формы представления данных и управляющих сигналов в разных устройствах ПК существенно различаются, то для поддержки взаимодействия устройств необходимо выполнять соответствующие преобразования. Эту задачу решают специальные устрой-ства, называемые адаптерами. Конструктивно они оформляются в виде модулей, которые, с одной стороны, имеют стандартный разъем для сопряжения с шиной, а с другой - разъем (или разъемы) для связи с соответствующим устройством. На плате модуля размещаются микросхемы и другие элементы, которые и выполняют необходимые преобразования. Следует отметить тенденцию уменьшения потребности в адаптерах, так как часть «обязанностей» по преобразованию сигналов берут на себя электронные схемы управления самих устройств (к примеру, тех же накопителей), а некоторые согласования выполняют чипсеты. Тем не менее сегодня в номенклатуре адаптеров устойчиво фигурируют: видеоадаптеры (они же - видеоплаты, видеокарты), адаптеры портов ввода-вывода, сетевые адаптеры (сетевые карты), звуковые платы (аудиокарты), модемы. Видеоадаптер - это устройство, преобразующее набор данных, подлежащих отображению на экране, в видеосигнал, посылаемый монитору по кабелю. Контроллер дисков предназначен для управления работой механических подвижных частей устройства и формирования электрических импульсов при записи и чтении. Он содержит: генератор, питающий переменным током двигатель дисков; сложную сервосистему, которая управляет устройством позиционирования блока головок на требуемую дорожку (цилиндр) в соответствии с поступающими от адаптера сигналами; усилители записи, формирующие электрические импульсы, которые подаются на магнитные головки при записи данных; усилители считывания и формирователи выходных сигналов при считывании информации. Контроллер ввода-вывода, или адаптер портов, представляет собой устройство, которое обслуживает разнообразные внешние устройства, такие как принтеры, манипуляторы и другие, присоединяющиеся к процессорному блоку через специальные схемные элементы, называемые портами. Различают параллельные и последовательные порты. Параллельный порт позволяет передать за один такт по крайней мере один байт, поскольку каждому биту выделен один проводник (один контакт), и таким образом все составляющие байта передаются одновременно, параллельно. Последовательный порт содержит для передачи данных только одну пару проводников, и потому биты, составляющие сигнал, проходят через порт последовательно. Наиболее часто адаптер ввода-вывода обслуживает три параллельных порта (их именуют LPT1 ... LPT3) и четыре последовательных (с именами СОМ1 ... COM4). Для LPT-портов используют 41-штырьковые разъемы, для СОМ-портов - 9- или 25-штырьковые. Разъемы выходят на заднюю стенку системного блока, к ним подключаются соединительные кабели внешних устройств. Общее число разъемов, как правило, меньше числа портов. Сетевая плата. Этот адаптер предназначен для сопряжения персонального компьютера с физическим каналом передачи данных, например с коаксиальным кабелем. Он осуществляет двунаправленную транспортировку данных: прием сигналов из канала и передачу их на шину компьютера или, наоборот, - прием данных из компьютера и их передачу в канал. При этом сетевая плата выполняет все необходимые преобразования структуры передаваемых сообщений строго в соответствии со стандартами, по которым построена данная вычислительная сеть. 7.2. Запоминающие устройства ЭВМ Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). Основное назначение ЗУ - размещение в них команд и данных. Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации. Устройства памяти ЭВМ делят на основные и внешние запоминающие устройства. Состав, устройство и принцип действия основных запоминающих устройств Основные ЗУ подразделяют на основную память (ОП) и сверхоперативную память (СОЗУ). Основная память Основная память включает в себя два типа устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, или от англ. RAM - Random Access Memory) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, или от англ. ROM - Read Only Memory). Оперативное запоминающее устройство ОЗУ предназначено для хранения переменной информации, допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения, хранения. Оперативная память - полигон, на котором компьютер проводит все свои операции. И, конечно же, чем шире этот полигон, тем лучше. Основная составная часть микросхемы ОЗУ - массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицу накопителя. Каждый элемент памяти может хранить 1 бит информации и имеет свой адрес. ЗУ, позволяющие обращаться по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называются запоминающими устройствами с произвольным доступом. При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП, в связи с чем адрес делится на две части - две координаты Х и Y. На пересечении этих координат находится элемент памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена. ОЗУ связано с остальным микропроцессорным комплектом ЭВМ через системную магистраль (рис. 7.1).  Рис. 7.1. Структурная схема ОЗУ По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить. По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее. По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти. Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить m, то емкость памяти (т.е. количество элементов памяти, имеющих уникальные адреса) определяется как 2m . Так, в IBM PC XT шина адреса системной магистрали (CM) содержит 20 линий. Поэтому максимальный объем ОП в этих машинах равен 220 = 1 Мб. В IBM PC AT (с микропроцессором i80286) СМ содержит 24 линии, поэтому объем ОП может быть увеличен до 16 Мб. Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный объем ОП увеличился до 232 = 4 Гб и более. У современных процессоров разрядность адресной шины достигает 64. Микросхемы памяти могут строиться на статических (SRAM) и динамических (DRAM) ЭП. В качестве статического ЭП чаще всего выступает статический триггер. В качестве динамического ЭП может использоваться электрический конденсатор, сформированный внутри кремниевого кристалла. Статические ЭП способны сохранять свое состояние (0 или 1) неограниченно долго (при включенном питании). Динамические ЭП с течением времени записанную в них информацию теряют (например, из- за саморазряда конденсатора), поэтому они нуждаются в периодическом восстановлении записанной в них информации - в регенерации. Динамические ОЗУ отличаются меньшим числом компонентов в одном элементе памяти, в связи с чем имеют меньшие размеры и могут быть более плотно упакованы в кристалле. Однако из-за необходимости регенерации информации динамические ОЗУ имеют более сложные схемы управления. Основные характеристики ОЗУ - объем и быстродействие. В современных ПЭВМ ОЗУ имеет модульную структуру. Конструктивное исполнение модуля памяти называется его форм-фактором. Выделяют ряд форм-факторов (устаревшие - SIP, ZIP и действующие - SIMM, DIMM, FB-DIMM, SODIMM, MicroDIMM, RIMM), которые совершенно не совместимы друг с другом: SIMM (Single in Line Memory Module): имеют 30 или 72 контакта, каждый из которых выходит на обе стороны платы памяти (рис. 7.4). Последние могут использоваться в компьютерах с процессорами Pentium только парами. DIMM (Dual in Line Memory Module): имеют 168, 184, 200, 240 контактов с обеих сторон платы памяти. Модули памяти стандарта FB-DIMM предназначены для серверов. Схожи с модулями памяти DIMM 240-pin, но несовместимы с обычными небуферизованными модулями памяти DDR2 DIMM и Registered DDR2 DIMM. SODIMM (Small Outline DIMM): имеют 72, 144, 168, 200 контактов. Подходит для ноутбуков и Tablet PC. MicroDIMM: имеют 60 контактов. Используются в ноутбуках и субноутбуках. RIMM: имеют 184, 168, 242 контакта. Внешне модули RIMM напоминают модули DIMM, однако, во-первых, имеют меньшее число контактов, а во-вторых, с обеих сторон закрыты металлическим экраном, защищающим от наводок и взаимного влияния модулей, работающих на больших частотах. Типы оперативной памяти SRAM - статическая и довольно дорогая память давно устарела в качестве оперативной, потом устарела в качестве кэша. В SRAM ячейка памяти - это триггер из нескольких конденсаторов, которые удерживают заряд. DRAM (Dynamic RAM) - динамическая память. Отличается от SRAM типами ячеек. Заряд в конденсаторах памяти сохраняется очень непродолжительное время (приблизительно 2 мс), поэтому его нужно постоянно регенерировать. SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) - синхронная динамическая память со случайным доступом. По сравнению с памятью предыдущих поколений преимуществом является наличие синхронизации с системным генератором, что позволяет контроллеру памяти точно знать время готовности данных, благодаря чему временные задержки в процессе циклов ожидания уменьшаются, так как данные могут быть доступны во время каждого такта таймера. ESDRAM (Enhanced SDRAM - улучшенная SDRAM) является более быстрым вариантом архитектуры SDRAM. С точки зрения времени доступа производительность ESDRAM примерно в два раза выше. FCRAM (Fast Cycle Random Access Memory - ОЗУ с быстрым циклом). Время выполнения цикла составляет всего 20 нс, то есть в 3 - 4 раза меньше, чем у современных модулей DRAM. MRAM (Magnetic RAM - магнитное ОЗУ) разработана компанией Toshiba, уже выпустившей опытный образец основной структуры кристалла, продемонстрировавшего выдающиеся скоростные качества — цикл чтения занимает всего 6 нс. Технология хранения информации в чипе MRAM заключается в размещении элемента, содержащего молекулы платины и кобальта, между двумя магнитопроводящими слоями. Запись и чтение происходят путем изменения магнитной активности в управляющих слоях. DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) - синхронная динамическая память со случайным доступом и удвоенной скоростью передачи данных (возможности выборки 2 бит данных за один такт). Основное преимущество DDR SDRAM перед SDRAM то, что за один такт системного генератора могут выполняться две операции с данными, что приводит к увеличению вдвое пиковой пропускной способности при работе на той же частоте. Применялась в Pentium IV, Celeron и AMD Athlon/ Sempron. DDR2 SDRAM аналогична DDR. Преимущества - возможности выборки 4 бит данных за один такт, более низкое энергопотребление, тепловыделение, а также увеличенная рабочая частота. Применяется в системах с процессорными разъемами LGA 775 (Pentium 4, Pentium Dual-Core, Core 2 Duo/Quad) и с АМ2 (AMD Phenom/ Athlon/Sempron). DDR3 SDRAM - потомок DDR2 SDRAM, использует ту же технологию «удвоения частоты». Преимущество перед DDR2 - способность работать на более высокой частоте, меньшее энергопотребление. DDR3, как и DDR2, имеют 240 контактов, но используют другие «ключи». Используется с Intel Core i3/ 5/ 7 (LGA 1366/ 1156) и AMD Phenom II/ Athlon II (АМЗ). RIMM (RDRAM, Rambus DRAM) - синхронная динамическая память, разработанная компанией Rambus. Основные отличия от DDR памяти - увеличение тактовой частоты за счет уменьшения разрядности шины и одновременная передача номера строки и столбца ячейки при обращении к памяти. SAM - это память с последовательной выборкой. В такой памяти происходит последовательный доступ к ячейкам, вплоть до того, пока в конце концов не найдутся искомые данные. Она медленнее RAM, но хорошо подходит для буферной памяти. Данные в ней сохраняются последовательно в любом случае. Постоянное запоминающее устройство ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, например стандартные программы и константы. Эта информация заносится в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ. Основные операции, которые может выполнять ПЗУ, - чтение и хранение. Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ, но ПЗУ сохраняет информацию при отключении питания (т.е. является энергонезависимой памятью) и может иметь более высокое быстродействие, так как ограниченность функциональных возможностей ПЗУ и его специализация на чтении и хранении позволяют сократить время выполнения реализуемых им операций считывания. Микросхемы ПЗУ также построены по принципу матричной структуры накопителя. Функции элементов памяти в них выполняют перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов. В такой матрице наличие перемычки может означать «1», а ее отсутствие - «0». Занесение информации в микросхему ПЗУ называется ее программированием, а устройство, с помощью которого заносится информация, - программатором. Программирование ПЗУ заключается в устранении (прожигании) перемычек по тем адресам, где должен храниться «0». Обычно схемы ПЗУ допускают только одно программирование, но специальные микросхемы - репрограммируе- мые ПЗУ (РПЗУ) - допускают их многократное стирание и занесение новой информации. Этот вид микросхем также относится к энергонезависимым, т.е. может длительное время сохранять информацию при выключенном питании. Типы ПЗУ Имеется четыре основных типа ПЗУ: ПЗУМ, Read Only Memory (ROM) - однократно программируемые изготовителем ПЗУ, называемые масочными; ППЗУ, Programmable ROM (PROM) - однократно программируе мое пользователем постоянное запоминающее устройство; EPROM (Erasable PROM) - перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства с ультрафиолетовым стиранием информации; EEPROM (Electrically Erasable PROM) - перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства с электронным стиранием информации, также называемые Flash ROM. Постоянное запоминающее устройство, которое еще называют встроенной программой, представляет собой интегральную микросхему, при изготовлении или эксплуатации запрограммированную определенными данными. ПЗУ используются не только в компьютерах, но и в большинстве других электронных устройств. Размещение информации в основной памяти ЭВМ Адресуемая единица информации основной памяти IBM PC - байт. Это означает, что каждый байт, записанный в ОП, имеет уникальный номер (адрес). При использовании 20-битной шины адреса абсолютный (физический) адрес каждого байта является пятиразрядным шестнадцатеричным числом, принимающим значения от 00000 до FFFFF (рис. 7.2). В младших адресах располагаются блоки операционной системы (векторы прерываний, зарезервированная область памяти BIOS), в этой же части могут размещаться драйверы устройств, дополнительные обработчики прерываний DOS и BIOS, командный процессор операционной системы. Затем располагается область памяти, отведенная пользователю.
|