Информатика и программное обеспечение ПЭВМ

? блок внутренних регистров;

? устройство управления;

? внутренняя шина данных - для передачи данных между этими блоками.

Назначение составных частей микропроцессора:

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет одну из главных функций МП: обработку данных. Перечень функций АЛУ зависит от типа МП. Они определяют архитектуру МП в целом. В большинстве МП перечень функций АЛУ ограничивается функциями сложения, вычитания, логическими операциями: и, или, не, исключающее или, сдвиг вправо или влево, положительные и отрицательные приращения.

Рис. 2.10. Структурная схема микропроцессора 8086/8088

2. Важная составная часть МП - регистры, каждый из которых можно использовать для хранения одного слова данных. Часть регистров имеет специальное назначение, другая - многоцелевое. Последние регистры называются регистрами общего назначения (РОН) и могут использоваться программистами по их усмотрению.

Назначение основных регистров

Аккумулятор - это главный регистр МП. Большинство операций выполняется с использованием только АЛУ и аккумулятора, в котором размещается одно из слов, участвующих в операции, а также результат операции. Аккумулятор используется для передачи данных из одной части МП в другую, например, из порта ввода-вывода в память, между двумя областями памяти и т. д.

В аккумуляторе МП могут выполняться некоторые действия непосредственно над данными. Это операции очистки или установки всех единиц, инверсии и сдвигов. Данные в него поступают с внутренней шины данных МП. Количество разрядов аккумулятора соответствует разрядности МП. Однако в ряде случаев аккумуляторы имеют двойную длину разрядов. Дополнительные разряды используются для размещения данных, появляющихся при выполнении некоторых арифметических операций. Так, при умножении двух 8-битовых слов результат - 16-битовый, он полностью размещается в аккумуляторе.

Счетчик команд - один из наиболее важных регистров МП.

Программа - это последовательность команд, хранимых в памяти ЭВМ и предназначенных для управления действиями машины. Для корректного выполнения программы команды должны поступать в строго определенном порядке. Когда МП начинает работать, то по команде начальной установки в счетчик команд загружаются данные из памяти - адрес, указывающий на первую команду программы. Этот адрес посылается по адресной шине к схемам управления памятью, откуда считывается команда по данному адресу и пересылается в регистр команд.

Регистр команд хранит команду во время ее дешифрования и выполнения. Входные данные поступают в этот регистр из памяти по мере последовательной выборки команд. Кроме того, в регистр команд данные могут быть записаны с помощью пульта управления ЭВМ.

Регистр адреса памяти указывает адрес в области памяти, подлежащей использованию микропроцессором. Выход этого регистра называется адресной шиной и используется для выбора области памяти или порта ввода-вывода.

В течение выборки команды из памяти регистры адреса памяти и счетчика команд имеют одинаковое содержимое. После декодирования команды счетчика команд в нем производится приращение в отличие от регистра адреса.

Буферный регистр предназначен для временного хранения данных.

Регистр состояния предназначен для хранения результатов некоторых проверок, осуществляемых в ходе выполнения программы. Его разряды содержат информацию, по которой проверяется естественная последовательность выполнения программы после выполнения команд условных переходов. Регистр состояний предоставляет программисту возможность организации работы МП так, чтобы при определенных условиях менять порядок выполнения команд.

Регистры общего назначения (РОН) имеют в своем составе набор регистров для запоминания данных. АЛУ может выполнять операции с содержимым РОН (инверсия, сдвиг и т. д.) без выхода на внешнюю магистраль адресов и данных, чем обеспечивается высокое быстродействие.

Указатель стека. Стек - это набор регистров МП или ячеек оперативной памяти, откуда данные выбираются "сверху", т. е. по принципу "последним пришел - первым вышел". При записи в стек очередного слова все записанные ранее слова смещаются на один регистр вниз, как патроны в магазине автомата при его снаряжении.

3. Схемы управления обеспечивают поддержание требуемой последовательности функционирования всех звеньев МП.

По сигналам схем управления очередная команда извлекается из регистра команд. При этом определяется, что необходимо делать с данными, а затем обеспечивается само действие.

Главной функцией схем управления является декодирование команды, находящейся в регистре команд, с помощью дешифратора команд, который в результате выдает сигналы, необходимые для ее выполнения.

4. Система шин МП.

Система шин обеспечивает связь устройств микропроцессора между собой и с внешней средой.

2.3.1.3 Программно-логическая модель центрального

процессора

На рисунке 2.11 показана логическая организация МП Intel 8086 (КР1810ВМ86). Он широко применяется в ПЭВМ семейств IBM PC, IBM PC/XT, PCjr, PS/2 (модели 25, 30). Некоторые из перечисленных машин построены на базе МП Intel 8088, который отличается количеством внешних линий данных (имеются и другие отличия, например сокращение длины очереди команд, но они не могут считаться принципиальными).

В составе МП имеется 14 программно-доступных регистров. Он манипулирует логическими адресами, содержащими 16-раз-рядный сегментный (базовый) адрес и 16-разрядное внутрисегментное смещение. Сегментные адреса находятся в одном из четырех регистров: CS - код (программа); DS - данные, SS - стек; ES - экстракод (дополнительные данные).

В состав блока регистров общего назначения (РОН) входят восемь 16-разрядных регистров, из них четыре (SP, BP, SI, DI) предназначены для хранения внутрисегментных смещений. Все РОН участвуют в выполнении арифметических и логических операций, представляя операнды и фиксируя результат.

Регистр адреса команд (счетчик адреса) IP используется для выбора команд программы в текущем сегменте кода CS.

Особо необходимо отметить назначение регистра признаков (флагов).

Как уже отмечалось, регистр признаков (флагов) предназначен для хранения данных о различных ситуациях, возникающих в программе. Младший байт регистра признаков устанавливается арифметическими или логическими операциями МП:

? признак SF принимает единичное значение при отрицательном и нулевое значение при положительном результате;

? флаг ZF принимает значение "1" при нулевом результате последней операции;

? PF устанавливает "1", если результат последней операции имеет четное число единиц;

? признак CF используется для различных целей. Он устанавливает "1" при сложении 16-битовых чисел в случае возникновения переноса и при вычитании аналогичных чисел для указания необходимости заема "1" из старшего разряда. Программа может использовать этот флаг для определения соотношения двух чисел: и . Если выполняется операция и CF = 1, то (если CF = 0, то );

? признак AF позволяет МП выполнять операции десятичной арифметики, когда данные хранятся в двоично-десятичном коде;

? флаг переполнения OF показывает, что результат арифметической операции вышел за пределы диапазона чисел, представленных в дополнительном коде.

Остальные признаки регистра устанавливаются программистом:

? если IF = 0, то никакие внешние прерывания (за исключением немаскируемых) не смогут возникнуть;

? после занесения в TF единицы при завершении каждой команды возникает прерывание работы МП. Это помогает на этапе отладки программы;

? когда IF = 1, МП будет реагировать на внешние прерывания;

? признак DF используется при обработке блоков данных.

Для указания объектов (байтов или слов) в каждом блоке применяются индексные регистры. После обработки объекта МП изменяет содержимое индексных регистров для выбора следующего элемента данных:

? если DF = 0, то команды, работающие с блоками, увеличивают содержимое индексных регистров, при DF = 1 содержимое этих регистров уменьшается.

Рис. 2.11. Логическая организация МП Intel 8086

Шесть 8-разрядных регистров очереди команд являются программно-недоступными. Они организованы по принципу "первый пришел - первый вышел".

Схемы управления координируют работу МП.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметически и логические операции над различными операндами.

2.2.1.4 Особенности процессоров фирмы Intel

В 1969 г. компания Biscom заключила контракт с тогда еще малоизвестной фирмой Intel на разработку комплекта микросхем для калькуляторов. Разработчики применили новый подход и спроектировали универсальную микросхему - процессорный элемент, который заменил собой большое количество дискретных компонентов. Он составил основу созданного набора из четырех микросхем. Фирма Intel выкупила у Biscom права на эту микросхему и, немного усовершенствовав, в 1971 г. выпустила ее под индексом i4004. С этого скромного 4-разрядного процессорного элемента, содержавшего на кристалле 2 300 транзисторов и имевшего производительность 60 тыс. операций в секунду, началась эпоха микропроцессоров. Позже появилось устройство под номером i8008. Оно имело 8 линий данных и по производительности превосходило i4004 в несколько раз.

Первым микропроцессором, на базе которого был построен компьютер, стал i8080. Он был выпущен в 1974 г., имел 8-раз-рядную шину данных и 16-разрядную шину адреса. Для него была разработана простая и удобная система команд на 256 операций.

В целях построения на его основе компактной компьютерной системы был разработан целый комплект сопутствующих микросхем и специализированных программируемых периферийных контроллеров. Каждая из этих микросхем заменяла целый компьютерный блок, и их применение при разработке вычислительных устройств позволило резко уменьшить их размеры.

В 1979 г. фирма Intel открыла следующую страницу в истории микропроцессоров. Она предложила на суд пользователей процессор i8086, значительно отличавшийся от предшественников, которому суждено было стать родоначальником целого направления среди микропроцессоров.

МП i8086 имел 16-разрядную внутреннюю архитектуру, внешнюю шину данных той же разрядности, 20-разрядную шину адреса, позволявшую работать с адресным пространством в 1 Мбайт. В нем была реализована новая система команд, не совместимая с набором МП 8080.

Для обеспечения функционирования МП i8086 фирма выпустила набор сопутствующих микросхем и программируемых контроллеров, продолжая серию, начатую для МП 8080.

Через год фирма представила модель процессора i8088 с той же 16-разрядной архитектурой, но с 8-разрядной внешней шиной данных. Начальные модификации МП работали с частотой 4,77 МГц, у последующих она была повышена до 8 МГц. Знаменитым этот кристалл сделало то, что фирма IBM выбрала его для создания своего первого компьютера массового применения PC, а позднее и PC XT.

Процессор Intel 80286. Выпущен в 1984 г., имел 16-разрядную внутреннюю архитектуру, 16-разрядную внешнюю шину данных и 24-разрядную внешнюю шину адреса. Увеличение разрядности шины адреса увеличило адресное пространство до 16 Мбайт. Для него разработан математический сопроцессор i80287. На базе процессора 80286 построен компьютер PC AT.

Этот процессор может работать в двух режимах:

? в рабочем ("реальном") он ведет себя как процессор 8088 с расширенным набором команд и поэтому может иметь доступ только к первому мегабайту памяти;

? в "защищенном" режиме работы процессор имеет 24-раз-рядную адресную шину, что в 3 раза больше, чем у процессора 8088, следовательно, в "защищенном" режиме он может иметь доступ непосредственно к 16 Мбайт памяти.

Процессор Intel 80386DX. Замечательной особенностью этого процессора является его 32-разрядная архитектура: 32 линии передачи данных и 32 адресные линии. Таким образом, этот процессор может параллельно передавать 4 байт данных и адресовать оперативную память объемом до 4 Гбайт. Компьютеры, оснащенные такими процессорами, могут удовлетворить высоким требованиям, предъявляемым к управлению программами и большими массивами данных.

Другими преимуществами процессора 80386, по сравнению с процессором 80286, являются доступ к расширенному набору команд и использование системы мультипрограммирования. Одновременно может выполняться несколько прикладных программ. Еще одно преимущество работы процессора 80386 - это "виртуальный" режим, раскрывающий истинные достоинства этого процессора. В "виртуальном" режиме одновременно могут быть запущены несколько программ, которые выполняются как бы различными процессорами 8088, т. е. становится возможным многозадачный режим, реализуемый с помощью разработанной для процессоров 8088 операционной системы MS-DOS.

Процессор Intel 80486 DX. Этот 32-разрядный процессор работает с тактовой частотой до 50 МГц до появления процессора Pentium представлял собой самый совершенный процессор из семейства Intel 8086. В апреле 1989 г. он был представлен на широкое обозрение и уже полгода спустя в больших количествах стал доступен изготовителям компьютеров. По сравнению с предшественником (80386) процессор 80486 имеет большую скорость обработки основных команд, использует новый улучшенный интерфейс с оперативной памятью и встроенный сопроцессор. Повышение производительности процессора 80486 обусловлено рядом усовершенствований, в том числе встроенным сопроцессором и интегрированной кэш-памятью объемом 8 кбайт. Размещение сопроцессора на общем чипе в отличие от прежних моделей, основанных на использовании центрального процессора и дополнительного сопроцессора, имеет много преимуществ.

Процессор Pentium. Pentium 60 с тактовой частотой 66 МГц представляет собой суперскалярный 32-разрядный процессор, построенный по субмикронной технологии с комплементарной МОП-структурой (0,8 мкм) и состоящий из 3,1 млн транзисторов. Он поддерживает команды процессора 80486 и, подобно предшественнику, имеет внутренний блок для проведения операций с плавающей точкой, а также кэш-память на 16 кбайт, устройство управления па-мятью (MMU) и интеллектуальный буфер - предсказания ветвлений (branch target buffer).

Процессор Pentium имеет два 32-битовых адресных пространства (логическое и физическое) и 64-разрядную шину данных, что объясняет отчасти повышение производительности процессора. При этом центральный процессор имеет две конвейерные линии обработки команд, работающие параллельно и тем самым позволяющие процессору выполнять два набора команд за один такт. Благодаря разделению кэш-памяти (8 кбайт для команд и 8 кбайт для данных) исключаются наложения команд данных.

2.4 Запоминающие устройства

2.4.1 Организация оперативной памяти

2.4.1.1 Организация доступа памяти в Intel-совместимых процессорах

Местоположение любого байта внутри адресного пространства размером в 1 Мбайт микропроцессора 8086 определяется двумя величинами: адресами сегмента и смещения, формирующими сегментный адрес.

МП манипулирует логическими адресами, содержащими 16-разрядный сегментный (базовый) адрес и 16-разрядное внутрисегментное смещение. Механизм сегментации предполагает разбиение всего адресуемого пространства на области (сегменты) по 64 кбайт каждая.

Физический адрес (рис. 2.12) получается из адреса сегмента и

Рис. 2.12. Вычисление физического адреса в реальном режиме

процессора 8086

смещения следующим образом: над адресом сегмента выполняется операция арифметического сдвига влево на 4 бит (к двоичному представлению числа справа дописывается 4 нулевых бита), а затем к полученному числу прибавляется значение смещения.

Сегментация памяти в процессоре 8086 обладает следующими особенностями, которые можно считать ее недостатками с точки зрения разработчиков многозадачных систем:

1. Сегменты памяти имеют всего два атрибута: начальный адрес и максимальный размер 64 кбайт. Никаких аппаратных средств контроля правильности использования сегментов нет.

2. Размещение сегментов памяти произвольно: они могут частично или полностью перекрываться (поскольку начальный адрес сегмента совпадает с адресом параграфа, кратного 16) или не иметь общих областей.

2.4.1.2 Области памяти IBM-совместимых персональных

компьютеров

Свои первые компьютеры фирма IBM спроектировала на базе МП J8086/88. Процессор имел адресное пространство 1 Мбайт, что в сравнении с 64 кбайт у его предшественника МП 08080 было очень много. Адресное пространство было разделено на две области (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Логическая структура адресного пространства ПК класса XT

Назначение областей оперативной памяти:

1. Базовая память (Conventional Memory Area - CMA) располагается по адресам от 0000h до FFFFh (здесь и далее числа h на конце представлены в шестнадцатеричной системе счисления), т. е. имеет размер 640 кбайт. В ней может размещаться резидентная часть MS-DOS, а также резидентные и нерезидентные программы пользователя, которым размера CMA достаточно для работы. В ней могут размещаться как коды исполняемых программ, так и данные к ним.

2. Верхняя память (Upper Memory Area - UMA) располагается по адресам с 10000h по FFFFFh (от 640 кбайт до первого мегабайта), ее размер составляет 384 кбайт, без специальных драйверов она не доступна. В базовой памяти выделены рабочие области для операционной системы, размещения драйверов и пользовательских программ.

Адресное пространство в 1 Мбайт - это совсем немного, а процессоры Intel 8086/88 могли работать только с 1-мегабайтным адресным пространством. Возникла необходимость организации дополнительного объема памяти вне этой области. За решение данной задачи взялись совместно фирмы Lotus, Intel, Microsoft. Результатом их деятельности стала спецификация доступа к дополнительной памяти LIM EMS (Lotus, Intel, Microsoft Expanded Memory Specification). Был разработан стандарт организации дополнительной памяти (Expanded Memory Specification - EMS). EMS версии 3.2 обеспечивала поддержку 8 Мбайт дополнительной памяти, a EMS версии 4.0 обеспечивала поддержку 32 Мбайт.

Был предложен механизм создания дополнительной памяти (EMA), находящейся вне адресного поля. Для ее построения в системный разъем вставляется плата, содержащая дополнительный объем памяти (рис. 2.14).

Следующий процессор i80286 имел 16-мегабайтное адресное пространство. Весь объем ОЗУ "выше" одного мегабайта получил название расширенной памяти (XMA) (рис. 2.15). Использование расширенной памяти получило название стандарта (XMS). К моменту появления процессора уже был накоплен довольно большой объем программного обеспечения. Для того чтобы новый МП мог его использовать, в пределах первого мегабайта ОЗУ он должен был работать так же, как и его предшественник. Исходя из этого процессор построен таким образом, что он может функционировать в двух режимах:

? реальный, когда он работает как обычный i8086/88;

? защищенный, позволяющий ему вести обмен с расширенной памятью.

Поддержка этих двух режимов сохранена во всех последующих моделях процессоров.

Позже обнаружилась возможность обращения к первым 64 кбайт расширенной памяти, не выходя из реального режима. Этот участок адресного пространства получил название "область старшей памяти" (HMA), или "старшие адреса" (рис. 2.15).

Рис. 2.14. Структура памяти ПК Рис. 2.15. Логическая структура

в соответствии с концепцией EMS адресного пространства ПК класса АТ по концепции XMS)

В результате структура памяти компьютера может быть организована из четырех областей, различающихся местоположением в адресном пространстве, и одной дополнительной области, находящейся вне адресного поля. Необходимую для работы комбинацию этих областей пользователь определяет и выстраивает сам.

Организация памяти компьютера из нескольких областей, имеющих различное назначение, создавала большие сложности в работе. Место, где размещаются все исполняемые программы (базовая память), эксплуатируется очень интенсивно, а по размеру оно невелико; остальной объем (расширенная память) может быть значительно больше, но используется мало и только для сохранения данных или программ. С этим приходилось мириться. Несмотря на очевидные неудобства и сложности в работе, подобная структура памяти сохранялась на IBM-совместимых машинах весь период времени, когда в качестве операционной системы (ОС) использовалась MS-DOS. Отказ от нее стал возможен только с появлением ОС нового типа Windows 95/98.

В настоящее время проблема распределения памяти потеряла остроту. Однако большинству пользователей в той или иной степени все равно придется с этим столкнуться.

Краткая характеристика областей памяти в случае исполь-зования MS-DOS:

Базовая память (Base, Conventional) - основная память компьютера; занимает в массиве ОЗУ первые 640 кбайт (адреса 000 000-655 359), условно разбитые на 10 сегментов (0-9) по 64 кбайт каждый: в нее загружается DOS (рис. 2.16).

В первых двух килобайтах 0-го сегмента (адреса 0000-2048) размещены рабочие области DOS и BIOS, буферы устройств, таблицы векторов прерываний. Следующие несколько десятков килобайт используются для размещения драйверов операционной системы.

Оставшийся массив базовой памяти считается свободным и может быть использован прикладными (пользовательскими) программами. Объем свободной базовой памяти имеет для пользователя большое практическое значение. Многие программы предъявляют жесткие требования: "объем базовой памяти не менее ..." Если в компьютере на момент запуска этой программы памяти хотя бы чуть-чуть меньше, то работать она не станет. Для того чтобы освободить максимально возможный объем базовой памяти, используются всевозможные ухищрения. Например, драйверы устройств стремятся разместить в верхней памяти (UMA) или старших адресах (НМА).

Рис. 2.16. Структура базовой памяти

Верхняя память (UMA - Upper Memory Area) - область ОЗУ между 640 кбайт и 1 Мбайт (1024 кбайт). Она зарезервирована для служебных целей.

Адресное поле сегментов А и В используется для размещения ОЗУ видеоконтроллеров (рис. 2.17).

Свободные области UMA, сегменты С, D, Е и F обычно используются программами-админи-страторами расширенной памяти для помещения в них резидентных программ и ядра DOS. Свободных фрагментов в UMA несколько, они называются блоками верхней памяти (Upper Memory Blocks - UMB). Поскольку размеры блоков UMA невелики, то нерезидентные программы туда обычно не загружаются, так как их код должен занимать непрерывную область памяти.

В настоящее время в этой области только два участка жестко закреплены за конкретными устройствами:

в адресном пространстве сегмента С размещено ПЗУ видеоконтроллера (контроллер EGA использует 16 кбайт, VGA - 32 кбайт);

Рис. 2.17. Организация верхней памяти

- пространство сегмента F занято системным ПЗУ, находящимся на материнской плате.

Оставшиеся участки могут использоваться пользователем по своему усмотрению. В верхней памяти может быть создана теневая память (Shadow), т. е. в некоторых участках адресного пространства верхней памяти оказались параллельно подключенными оперативная память и блоки ПЗУ, находящиеся на материнской плате и контроллерах. Таких участков в настоящее время два: сегмент F и частично сегмент С. Обычно работает ПЗУ. Проектировщиками материнских плат был предложен вариант функционирования системы, при котором вместо медленного ПЗУ применяется более быстрое ОЗУ. По желанию пользователя возможен режим начальной загрузки компьютера, когда содержимое блоков ПЗУ переписывается в параллельные области ОЗУ, и в дальнейшем обращение идет к ним. Фактически в оперативной памяти создается копия - "тень" ПЗУ, отсюда и название режима. Управление работой теневой памяти выполняется через программу Setup.

Свободные участки в сегментах С, D и Е могут быть преобразованы при помощи утилиты EMM386.exe в блоки, пригодные для хранения информации. В них как правило размещены системные программы и драйверы. Весь объем верхней памяти, находящейся под управлением EMM386.exe, получил название UMB.

На 286-й и 386-й материнских платах с верхней памятью может быть выполнена переадресация (remaping). В аппаратной части этих плат была заложена возможность программного переключения (условного перемещения) части верхней памяти в область расширенной (сразу после первого мегабайта). Такой режим давал возможность на материнских платах, реально имеющих всего 1 Мбайт ОЗУ, создать область расширенной памяти и устанавливать на компьютер ОС Windows. На некоторых платах при создании режима Shadow переадресацию выполнить нельзя.

Расширенная память (EMA - Extended Memory Area) - весь объем ОЗУ "выше, старше" первого мегабайта. Доступ к ней организуется при помощи драйвера HIMEM.sys (область, находящаяся под его управлением, получила название XMS - Extended Memory Specification).

В системах "под DOS" возможности этого вида памяти ограничены:

? в расширенной памяти не может находиться операционная система;

? в ней невозможно создание рабочих областей устройств;

? находящиеся в EMA программы не могут быть выполнены.

В основном расширенная память используется для сохранения данных и программ. В составе ОС MS-DOS есть драйверы RAMDRIVE.sys и SMARTDRV.exe, ориентированные на работу с EMA. Для записи в расширенную память или считывания оттуда они переводят МП в защищенный режим, а затем возвращают в реальный.

Область старшей памяти, старшие адреса (НМА - High Memory Area) - область первых 64 кбайт (без 16 байт) расширенной памяти, доступ к которым можно получить без выхода из реального режима. Это дополнительный участок ОЗУ, пригодный для размещения компонентов операционной системы.

Для того чтобы объяснить, откуда появились эти 64 кбайт памяти, вспомним, как формируется адрес в МП. Если в старшие 16 разрядов сегментного регистра загрузить максимальное значение FFFF₁₆ (a 4 младших автоматически устанавливаются в нуль) и задать смещение FFFF₁₆, можно получить предельный адрес равный l'0FFEF₁₆ (рис. 2.18). Адресный интервал 100000₁₆ - l'0FFEF₁₆ и составляет область старшей памяти. Управление размещением данных в старших адресах возложено на драйвер HIMEM.sys.

Рис. 2.18. Формирование адресного интервала области старшей памяти

Дополнительная память (Expanded Memory Area).

В компьютере доступ к дополнительной памяти (LIM EMS) реализует драйвер EMM386.exe. Для него необходим свободный участок ОЗУ размером в 64-килобайтный страничный блок (обычно он берется в верхней памяти - окно EMA). В процессе работы он делится на четыре 16-килобайтные логические страницы. На такие же по размеру страницы делится весь имеющийся объем дополнительной памяти. В логические страницы заносится информация, требующая сохранения. После этого их содержимое путем определенной программной процедуры копируется на одну из страниц дополнительной памяти. Затем в логические страницы помещается следующая порция данных и процедура повторяется. Страничный блок как перемещающееся смотровое окошко имеет доступ к любой точке области дополнительной памяти. Через него производится как запись, так и считывание.

Дополнительная память может быть использована для хранения данных и программ. С помощью драйверов RAMDRIVE.sys и SMARTDRV.exe в ней могут быть созданы электронный диск и буферы дисковых накопителей. Спецификацией EMS могут пользоваться только специально разработанные для этого программы. В связи с необходимостью частого переключения страниц и копирования их в UMA отображаемая память работает довольно медленно.

Электронный диск - программно построенная структура, по организации и принципу работы с ним идентичная логическому диску на винчестере. Доступ к нему при записи или чтении выполняется быстрее, так как нет медленной операции перемещения головок. Емкость невелика (не может превосходить по объему расширенную память). На электронном диске удобно держать короткие часто исполняемые программы. При выключении компьютера все содержимое диска теряется.

Виртуальная память - это такая система организации выполнения задания, при которой часть программы располагается в быстродействующей памяти (микросхемах), а часть - на некотором более медленном и дешевом запоминающем устройстве (например, жестком диске). Виртуальная организация памяти позволяет программисту работать, не заботясь о емкости реальной памяти. В системах виртуальной памяти диск превращается в основную память, а RAM (реальная память) содержит код и данные, используемые процессорами.

Механизм виртуальной памяти, реализованный на процессоре 80286, позволяет организовать виртуальную память большого объема при относительно небольших размерах оперативной и дисковой памяти. Основная идея виртуальной памяти заключается в хранении и обновлении на диске сегментов программы и загрузки их в оперативную память по мере необходимости. Процесс загрузки и выгрузки сегментов называется свопингом.

В версиях DOS6.x появилась утилита MEMMAKER, которая автоматически оптимизирует использование верхней памяти. Поскольку эта память фрагментирована, то не всегда удается вручную загрузить туда все желаемые резиденты. Кроме того, некоторые резидентные программы могут менять свой размер после загрузки. MEMMAKER просчитывает все возможные комбинации распределения программ по блокам верхней памяти (их может быть несколько десятков тысяч) и выбирает из них оптимальную. Следует отметить, что с этой задачей MEMMAKER справляется далеко не лучшим образом, поскольку он не обрабатывает командные файлы, вызываемые из файла AUTOEXEC.BAT, а также не способен изменить порядок загрузки драйверов и резидентов, что могло бы привести к более удачному варианту их размещения в верхней памяти. Однако существует специально разработанные драйверы оптимизации, позволяющие добиться лучших результатов: QEMM386, 386MAX и др.

2.4.1.3 Общая характеристика способов реализации

запоминающих устройств

В общем случае под запоминающим устройством (ЗУ) можно понимать любое устройство, которое хранит информацию для дальнейшего использования. При таком понимании ЗУ ПЭВМ можно разделить на два класса.

Первый класс ЗУ представляет собой память, которая хранит команды и данные, обрабатываемые МП непосредственно, т. е. в любой момент времени МП имеет доступ к любой команде или данным, например, ЗУПВ (ЗУ произвольной выборки - ОЗУ, ПЗУ).

Второй класс состоит из средств, которые могут хранить информацию, но ее необходимо передавать в память первого класса прежде, чем к ней может обратиться МП, например, внешние ЗУ (НГМД, НЖМД и др.).

Рис. 2. 19. Конструктивные особенности ОЗУ

ОЗУ ПЭВМ может состоять из одной или нескольких плат, которые подключены к системной шине (рис. 2.19, 2.20).

Микросхемы ЗУПВ имеют организацию MЧN, где М - количество адресуемых слов; N - количество разрядов в слове.

Под длительностью цикла обращения понимается минимальный временной интервал от момента поступления стабильного адреса слова до получения стабильных данных. Эта характеристика отражает быстродействие ЗУПВ.

Рис. 2.20.Структура обращения к оперативной памяти

2.4.2 Регистровая кэш-память

В качестве элементной базы основной памяти в большинстве ВМ служат микросхемы динамических ОЗУ, на порядок уступающие по быстродействию центральному процессору. В результате процессор вынужден простаивать несколько тактовых периодов, пока информация из ИМС-памяти установится на шине данных ВМ. Если ОП выполнить на быстрых микросхемах статической памяти, стоимость ВМ возрастет весьма существенно. Экономически приемлемое решение этой проблемы было предложено М. Уилксом в 1965 г. в процессе разработки ВМ Atlas и заключается в использовании двухуровневой памяти, когда между ОП и процессором размещается небольшая, но быстродействующая буферная память. В процессе работы такой системы в буферную память копируются те участки ОП, к которым производится обращение со стороны процессора, т. е. производится отображение участков ОП на буферную память. Выигрыш достигается за счет ранее рассмотренного свойства локальности: если отобразить участок ОП в более быстродействующую буферную память и переадресовать на нее все обращения в пределах скопированного участка, можно добиться существенного повышения производительности ВМ.

Уилкс М. называл рассматриваемую буферную память подчиненной (slave memory). Позже распространение получил термин кэш-память (от англ. cache - убежище, тайник), поскольку такая память обычно скрыта от программиста в том смысле, что он не может ее адресовать и может даже вообще не знать о ее существовании. Впервые кэш-системы появились в машинах модели 85 семейства IBM 360.

В общем виде использование кэш-памяти можно пояснить следующим образом. Когда ЦП пытается прочитать слово из основной памяти, сначала осуществляется поиск копии этого слова в кэш-памяти. Если такая копия существует, обращение к ОП не производится, а в ЦП передается слово, извлеченное из кэш-памяти. Данную ситуацию принято называть успешным обращением, или попаданием (hit). При отсутствии слова в кэше, т. е. при неуспешном обращении - промахе (miss) требуемое слово передается в ЦП из основной памяти, но одновременно из ОП в кэш-память пересылается блок данных, содержащий это слово.

На рисунке 2.21 приведена структура системы с основной и кэш-памятью. ОП состоит из 2ⁿ адресуемых слов, где каждое слово имеет уникальный n-разрядный адрес. При взаимодействии с кэшем эта память рассматривается как М блоков фиксированной длины по К слов в каждом (М = 2ⁿ/К). Кэш-память состоит из С блоков аналогичного размера (блоки в кэш-памяти принято называть строками), причем их число значительно меньше числа блоков в основной памяти (С<< М). При считывании слова из какого-либо блока ОП этот блок копируется в одну из строк кэша. Поскольку число блоков ОП больше числа строк, отдельная строка не может быть выделена постоянно одному и тому же блоку ОП. По этой причине каждой строке кэш-памяти соответствует тег (признак), содержащий сведения о том, копия какого блока ОП в данный момент хранится в данной строке. В качестве тега обычно используется часть адреса ОП.

На эффективность применения кэш-памяти в иерархической системе памяти влияет целый ряд моментов. К наиболее существенным из них можно отнести:

- емкость кэш-памяти;

- размер строки;

- способ отображения основной памяти на кэш-память;

- алгоритм замещения информации в заполненной кэш-памяти;

- алгоритм согласования содержимого основной памяти и кэш-памяти;

- число уровней кэш-памяти.

Рис. 2.21. Структура системы с основной памятью и кэш-памятью

Современные технологии позволяют разместить кэш-память и ЦП на общем кристалле. Такая внутренняя кэш-память строится по технологии статического ОЗУ и является наиболее быстродействующей. Емкость ее обычно не превышает 64 кбайт. Попытки увеличения емкости приводят к снижению быстродействия, главным образом из-за усложнения схем управления и дешифрации адреса. Общую емкость кэш-памяти ВМ увеличивают за счет второй (внешней) кэш-памяти, расположенной между внутренней кэш-памятью и ОП. Такая система известна под названием двухуровневой, где внутренней кэш-памяти отводится роль первого уровня (L1), а внешней - второго уровня (L2). Емкость L2 обычно на порядок больше, чем у L1, а быстродействие и стоимость - несколько ниже. Память второго уровня также строится, как статическое ОЗУ. Типичная емкость кэш-памяти второго уровня - 256 и 512 кбайт, реже 1 Мбайт, а реализуется она, как правило, в виде отдельной микросхемы, хотя в последнее время L2 часто размещают на одном кристалле с процессором, за счет чего сокращается длина связей и повышается быстродействие.

При доступе к памяти ЦП сначала обращается к кэш-памяти первого уровня. В случае промаха производится обращение к кэш-памяти второго уровня. Если информация отсутствует и в L2, выполняется обращение к ОП и соответствующий блок заносится сначала в L2, а затем и в L1. Благодаря такой процедуре часто запрашиваемая информация может быть быстро восстановлена из кэш-памяти второго уровня.

Потенциальная экономия за счет применения L2 зависит от вероятности попаданий как в L1, так и в L2. Использование кэш-памяти второго уровня существенно улучшает производительность.

В большинстве семейств микропроцессоров предусмотрены специальные ИМС контроллеров внешней кэш-памяти, например микросхема 82491 - для Intel Pentium. Для ускорения обмена информацией между ЦП и L2 между ними часто вводят специальную шину (шину заднего плана), в отличие от шины переднего плана, связывающую ЦП с основной памятью.

Количество уровней кэш-памяти не ограничивается двумя. В некоторых ВМ уже можно встретить кэш-память третьего уровня (L3) и ведутся активные дискуссии о введении также и кэш-памяти четвертого уровня (L4). Характер взаимодействия очередного уровня с предшествующим аналогичен описанному для L1 и L2. Таким образом, можно говорить об иерархии кэш-памяти. Каждый последующий уровень характеризуется большей емкостью, меньшей стоимостью, но и меньшим быстродействием, хотя оно все же выше, чем у ЗУ основной памяти.

2.4.3 Внешняя память

2.4.3.1 Классификация внешних запоминающих устройств

Носитель - материальный объект, способный хранить информацию.

Устройства внешней памяти, или внешние запоминающие устройства, весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: виду носителя, типу конструкции, принципу записи и считывания информации, методу доступа и т. д.

Один из возможных вариантов классификации ВЗУ - по виду носителей и типу конструкции - приведен на рисунке 2.22.

Рис. 2.22. Классификация внешних запоминающих устройств

В зависимости от вида носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители.

Накопители на магнитной ленте по типу конструкции, в свою очередь, бывают двух видов: накопители на бобинной магнитной ленте (НБЛМ) и накопители на кассетной магнитной ленте (НКМЛ - стримеры). В ПК используются только стримеры.

Диски по методу считывания относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Понятие "прямой" доступ означает, что ПК может "обратиться" к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка чтения накопителя.

Накопители на дисках более разнообразны (табл. 2.4):

Таблица 2.4 Сравнительные характеристики дисковых накопителей

Тип накопителя	Емкость, Мбайт	Время доступа, мс	Трансферт, кбайт/с	Вид доступа
НГМД	1,2; 1,44	65 100	150	чтение-запись
Винчестер	250 320000	8 20	500 3000	чтение-запись
Бернулли	20 230	20	500 2000	чтение-запись
Floptical	20,8	65	100 300	чтение-запись
120 240		65	200 600	чтение-запись
250 64000		15 300	150 1500	только чтение
CC WORM	120 64000	15 150	150 1500	чтение-одно-кратная запись
НМОД	128 64000	15 150	300 2000	чтение-запись

Примечание. Время доступа - средний временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные, - представляет собой сумму времени для позиционирования головок чтения-записи на нужную дорожку и ожидания нужного сектора. Трансферт - скорость передачи данных при последовательном чтении.

- накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), т. е. флоппи-дисках или на дискетах;

- накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) типа "винчестер";

- накопители на сменных, жестких магнитных дисках, использующие эффект Бернулли;

- накопители на флоптических дисках, т. е. floptical-накопители;

- накопители сверхвысокой плотности записи, т. е. VHD-накопители;

- накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk ROM);

- накопители на оптических дисках типа CC WORM (Continuous Composite Write Once Read Many - однократная запись - многократное чтение);

- накопители на магнитооптических дисках (НМОД) и др.

2.4.3.2 Накопители на гибких магнитных дисках

На гибком магнитном диске (дискете) магнитный слой наносится на гибкую основу. Используемые в ПК ГМД имеют формат 5,25  и 3,5 дюйма, емкость ГМД колеблется в пределах от 180 кбайт до 2,88 Мбайт.

ГМД диаметром 5,25 дюйма помещается в плотный гибкий конверт, а диаметром 3,5 дюйма - в пластмассовую кассету для защиты от пыли и механических повреждений.

Конструктивно диск диаметром 133 мм изготовляется из гибкого пластика (лавсана), покрытого износоустойчивым ферролаком, и помещается в футляр - конверт. Дискета имеет две прорези: центральное отверстие для соединения с дисководом и смещенное от центра небольшое отверстие (обычно скрытое футляром), определяющее радиус - вектор начала всех дорожек на ГМД. Футляр также имеет несколько прорезей: центральное отверстие, чуть больше чем отверстие на дискете, широкое окно для считывающих и записывающих магнитных головок и боковую прорезь в виде прямоугольника, закрытие которой, например липкой лентой, защищает дис-кету от записи и стирания информации.

Диск диаметром 89 мм имеет более жесткую конструкцию, более тщательно защищен от внешних воздействий и имеет примерно те же конструктивные элементы. Режим запрета записи на этих дисках устанавливается специальным переключателем, расположенным в одном из углов диска.

В последние годы появились диски с тефлоновым покрытием (Verbutim Data Life Plus), которое предохраняет магнитное покрытие и записанную информацию от грязи, пыли, воды, жира, отпечатков пальцев и даже от растворителей типа ацетона.

Возможная емкость 3,5-дюймового диска Data Life Plus - 2,88 Мбайт. Следует упомянуть и диски "Go anywhere", распространяемые у нас в стране под названием "Вездеход". Они также обладают стойкостью к различным внешним воздействиям: температуре, влажности, запыленности.

Основные характеристики некоторых типов НГМД приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 Основные характеристики некоторых типов НГМД

Параметр	Тип ГМД
	133 мм (5,25 дюйма)	89 мм (3,5 дюйма)
Полная емкость, кбайт Рабочая емкость, кбайт (после форматирования) Плотность записи, бит/мм Плотность дорожек, дорожек/мм Число дорожек на одной поверхности диска Число поверхностей (сторон) Среднее время доступа, мс Скорость передачи, кбайт/с Скорость вращения, оборотов/мин Число секторов Емкость сектора дорожки, байт	500 360 231 1,9 40 2 80 50 3000 9 512	1000 720 233 3,8 80 2 100 50 3000 9 512	1600 1200 380 3,8 80 2 100 80 3600 15 512	1000 720 343 5,3 80 2 65 80 7200 9 512	1600 1440 558 5,3 80 2 65 150 7200 18 512

Каждый новый диск в начале работы с ним следует отформатировать.

Форматирование диска - это создание структуры записи информации на его поверхности: разметка дорожек, секторов, запись маркеров и другой служебной информации.

Возможный вариант форматирования зависит от типа диска (маркируемого на его конверте):

? SS/SD - односторонний диск (Single Sides) одинарной плотности (Single Density);

? SS/DD - односторонний диск двойной плотности ( Double Density);

? DS/SD - двухсторонний диск (Double Sides) одинарной плотности;

? DS/DD - двухсторонний диск двойной плотности;

? DS/HD - двухсторонний диск высокой плотности (Hign Den-sity), обеспечивающий максимальные емкости.

Программы дисковой операционной системы МS-DOS записывают в любой сектор информацию объемом не более 512 байт. Таким образом, общая емкость D любого диска, используемого DOC, составляет D = 512 Nt Ns 2 байт, где Nt - количество дорожек; Ns - количество секторов на дорожке; множитель 2 учитывает две поверхности диска.

Например, для широко распространенных дисков диаметром 133 мм для формата DS/DD Nt = 40, Ns = 9.

Емкость равна D = 512 40 9 2 = 360 1024 = к60 кбайт.

Для формата DSHD Nt = 80, Ns = 15 и емкость диска составляет

D = 512 80 15 2 = 1200 1024 = 1,2 Мбайт.

Для форматирования используется команда операционной системы MS-DOS: format <имя диска>.

Например: format A:\

2.4.3.3 Правила обращения с дисками

Необходимо соблюдать следующие правила пользования дисками:

? не сгибать, не прикасаться руками к магнитному покрытию;

? не подвергать воздействию магнитных полей;

? хранить в бумажном конверте при положительной температуре;

? надписи на приклеенной к диску этикетке следует делать без нажима карандашом;

? брать только за один угол защищенного конверта;

? не мыть;

? извлекать перед выключением ПК;

? вставлять диск в дисковод и вынимать его только тогда, когда не горит сигнальная лампочка включения дисковода.

2.4.3.4 Накопители на жестких магнитных дисках

Первый жесткий диск создан задолго до появления персональных компьютеров. Его разработала в 1957 г. фирма IBM для системы сохранения данных RAMDAC 350. Размер рабочих дисков был равен 24 дюймам, емкость накопителя составляла 5 Мбайт, стоила система более 30 тыс. долл. В качестве накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) широкое распространение в ПК получили накопители типа "винчестер".

Термин "винчестер" возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска для компьютеров PC XT емкостью 1 Мбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного в то время многозарядного карабина фирмы Winchester.

Конструктивно в этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или керамики, покрытых ферролаком. Вместе с блоком магнитных головок считывания-записи они помещены в герметически закрытый корпус. Емкость этих накопителей благодаря чрезвычайно плотной записи достигает нескольких тысяч мегабайт. Быстродействие их также значительно более высокое, нежели у НГМД.

НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм), но есть и другие, в частности 5,25 дюйма (133 мм) и 1,8 дюйма (45 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода 25 мм у настольных ПК, 41 мм - у машин-серверов, 13 мм - у портативных ПК и др.

Объем возможной для хранения на НЖМД информации определяется количеством цилиндров (дорожек на рабочей поверхности), головок (рабочих поверхностей) и секторов.

Цилиндр - это совокупность дорожек, к которым возможно обращение без перемещения головок.

В современных НЖМД используется метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делится на несколько зон. Во внешних зонах размещается больше данных, чем во внутренних. Это позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30 %.

Для того чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и сектора, над ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым, форматированием (physical, или low - level formatting). В ходе выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную информацию, определяющую разметку цилиндров диска на сектора и нумерующую их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска.

Для разделения ЖМД на логические диски используется логическое форматирование утилитой FDISK.

Максимальная емкость и скорость передачи данных существенно зависят от интерфейса, используемого накопителем.

2.4.3.5 Накопители на оптических дисках

В последние годы все большее распространение получают накопители на оптических дисках (НОД). Благодаря маленьким размерам (используются компакт-диски диаметром 3,5 и 5,25 дюйма), большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными.

Неперезаписываемые лазерно-оптические диски обычно называют компакт-дисками ПЗУ (Compact Disk - CD-ROM). Эти диски поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией (в частности, с программным обеспечением). Запись информации на них возможна только вне ПК в лабораторных условиях лазерным лучом большой мощности, который оставляет на активном слое CD след-дорожку с микроскопическими впадинами. Таким образом создается первичный "мастер-диск". Процесс массового тиражирования CD-ROM по "мастер-диску" выполняется путем литья под давлением. В оптическом дисководе ПК эта дорожка читается лазерным лучом существенно меньшей мощности.

CD-ROM ввиду чрезвычайно плотной записи информации имеют емкость от 250 Мбайт до 1,5 Гбайт, время доступа в разных оптических дисках также колеблется от 30 до 300 мс, скорость считывания информации от 150 до 1500 кбайт/с.

Основными достоинствами НОД являются:

- сменяемость и компактность носителей;

- большая информационная емкость;

- высокая надежность и долговечность CD и головок считывания/записи (до 50 лет);

- меньшая (по сравнению с НМД) чувствительность к загрязнениям и вибрациям;

- нечувствительность к электромагнитным полям.

2.4.3.6 Накопители на магнитной ленте

Накопители на магнитной ленте были первыми ВЗУ вычислительных машин. В универсальных ЭВМ широко использовались и используются накопители на бобинной магнитной ленте, а в персональных ЭВМ - накопители на кассетной магнитной ленте.

Кассеты с магнитной лентой (картриджи) весьма разнообразны: они отличаются как шириной применяемой магнитной ленты, так и конструкцией. Объемы хранимой на одной кассете информации постоянно растут. Так, емкость картриджей первого поколения, содержащих магнитную ленту длиной 120 м, шириной 3,81 мм с 24 дорожками, не превышала 25 Мбайт. В конце 80-х гг. прошлого века появились картриджи с большей плотностью записи на ленте шириной четверть дюйма (стандарты QIC-40/80). Последние модели таких картриджей (стандарт QIC 30103020) имеют емкость 340, 680 и даже 8401700 Мбайт и более. При сжатии данных может быть достигнута еще большая емкость, например, НКМЛ Conner CTD 8000 имеет емкость 8 Гбайт, Sony DDS - 216 Гбайт при трансферте 250 кбайт/с.

Лентопротяжные механизмы для картриджей носят название стримеров. Это инерционные механизмы, требующие после каждой остановки небольшой перемотки ленты назад (перепозиционирования). Такое перепозиционирование увеличивает и без того большое время доступа к информации на ленте (десятки секунд), поэтому стримеры нашли применение в персональных компьютерах лишь резервного копирования и архивирования информации с жестких дисков и бытовых компьютерах для хранения пакетов игровых программ.

Скорость считывания информации с магнитной ленты в стримерах также невысока и обычно составляет около 100 кбайт/с. НКМЛ могут использовать локальные интерфейсы SCSI.

Лекция 3. Программное обеспечение ПЭВМ

3.1 Общая характеристика и состав программного

обеспечения

3.1.1 Состав и назначение программного обеспечения

Процесс взаимодействия человека с компьютером организуется устройством управления в соответствии с той программой, которую пользователь разработал и ввел в память компьютера. На начальном этапе развития вычислительной техники это так и было. Пользователь представлял свои программы на машинном языке в виде двоичных кодов, а устройство управления в зависимости от их содержания подключало нужные электронные цепи и схемы.

По мере усложнения задач и повышения требований к параметрам ЭВМ появилась потребность в более гибком органе управления, чем существующее электронное устройство управления. И такой орган был найден. Так называемые системные управляющие программы благодаря своей гибкости взяли на себя большую часть функций устройства управления по организации процесса обработки информации на компьютере, оставив ему прежние полномочия в рамках возможностей соответствующих электронных схем.