Уроки 25 - 27
Процессор. Память. Устройства ввода и вывода
§34. Процессор. §35. Память. §36. Устройства ввода. §37. Устройства вывода
Содержание урока
§34. Процессор
§35. Память
Внешняя память
Взаимодействие разных видов памяти
Основные характеристики памяти
§36. Устройства ввода
§37. Устройства вывода
§35. Память
Внешняя память
Внешняя память — часть памяти компьютера, которая используется для долговременного хранения программ и данных.
Этот вид памяти позволяет повторно использовать программы и данные. Благодаря этому текст достаточно набрать один раз, а цифровые фотографии можно рассматривать в течение многих лет.
Устройства внешней памяти часто называют накопителями. К ним относятся, например, накопители на магнитных и оптических дисках, а также современные внешние запоминающие устройства на основе полупроводниковой флэш-памяти.
Внешняя память любого типа состоит из некоторого носителя информации (например, диска или полупроводникового кристалла) и электронной схемы управления (контроллера).
Компьютерный носитель информации — это средство длительного хранения данных в компьютерном формате. Носитель может быть съёмным (как в накопителях на оптических дисках), а может быть помещён внутрь неразборного устройства (жёсткий магнитный диск — «винчестер»).
Магнитные и оптические диски для обеспечения доступа к любому блоку данных быстро вращаются, а читающая головка перемещается вдоль радиуса диска. В более современных видах внешней памяти, где носителем информации является полупроводниковый кристалл, никаких движущихся частей нет, а для чтения и записи данных используются только электрические импульсы (аналогично ОЗУ).
В переносных устройствах внешней памяти, например во внешних жёстких дисках и флэш-накопителях, носитель и схема управления объединены в единый блок. Такие устройства подключаются к компьютеру снаружи через разъём.
Центральный процессор не может непосредственно обращаться к данным на носителе, он работает с ними через контроллер внешней памяти. На рисунке 5.16 схематично показано, как читаются данные с внешнего носителя информации и записываются в ОЗУ1.
1 В действительности процесс обмена более сложен, в нём участвует ещё и контроллер ПДП.
Рис. 5.16
Для связи с контроллером процессор использует порты — регистры контроллера, к которым процессор может обратиться по номеру. Процессор передаёт контроллеру «задание» на передачу данных, и контроллер берёт руководство процессом на себя. В это время центральный процессор может параллельно выполнять программу дальше или решать другую задачу. Таким образом, выполнить чтение (и запись) данных из внешней памяти гораздо сложнее, чем из внутренней памяти.
Для внешней памяти характерны следующие черты:
• обменом данными управляют контроллеры;
• прежде чем процессор сможет непосредственно использовать программу или данные, хранящиеся во внешней памяти, их нужно предварительно загрузить в ОЗУ;
• данные располагаются блоками (на дисках их принято называть секторами); блок данных читается и пишется как единое целое, что существенно ускоряет процедуру обмена; работать с частью блока невозможно.
В качестве внешней памяти используются самые разные носители. Первоначально программы и данные сохранялись на бумажных перфокартах (рис. 5.17) и перфолентах. Подписанные обычной ручкой или карандашом, они сортировались программистами вручную. Затем произошёл переход к магнитным носителям: магнитным лентам, барабанам и дискам.
Рис. 5.17. Перфокарта
На магнитных дисках биты данных хранятся в виде небольших намагниченных (или ненамагниченных) областей. Секторы размещаются на концентрических окружностях (имеющих общий центр), которые называются дорожками. Поскольку длина дорожки зависит от положения на диске, количество секторов на дорожках может быть разным. Доступ к секторам диска — произвольный, максимальная скорость достигается тогда, когда читаемые или записываемые секторы располагаются подряд.
Управление такой сложной системой очень трудоёмко — поэтому, как нам уже известно из истории вычислительной техники, появление магнитных дисков вызвало создание специального ПО для работы с ними — операционных систем (ОС). ОС берёт на себя все технические детали, предоставляя пользователю работу с некоторыми наборами данных — файлами. Таким образом, начиная с дисковых накопителей, наличие файловой системы — это характерная черта внешней памяти, которая существенно отличает её от внутренней.
Следующей технологией хранения данных стали оптические компакт-диски, CD (англ. Compact Disk). При записи данных (одним из способов) луч лазера «выжигает» на поверхности диска дорожку, в которой чередуются впадины и возвышения. При считывании также применяется луч лазера, только меньшей интенсивности, чтобы не разрушить данные. Для распознавания нулей и единиц используется различное отражение от перепадов глубины и ровной поверхности диска. В отличие от магнитных дисков, где информация хранится на отдельных замкнутых дорожках, данные на оптическом диске записываются вдоль непрерывной спирали, как на старых грампластинках .
Сейчас широко используются оптические диски следующих поколений: DVD (англ. Digital Versatile Disk — цифровой многоцелевой диск, ёмкость до 17 Гбайт) и Blu-ray-диски (ёмкостью до 500 Гбайт). Они имеют тот же диаметр, что и CD-диски, но для повышения плотности записи используют лазер с меньшей длиной волны. Были разработаны также комбинированные магнитооптические диски. Носителем информации в них служит магнитное вещество. При нагреве лазером оно плавится, частицы среды ориентируются в магнитном поле, и меняются оптические
свойства поверхности диска. После восстановления нормальной температуры такие диски необычайно устойчивы к внешним воздействиям. Тем не менее они не получили распространения из-за высокой стоимости и малой скорости записи.
Отметим, что на всех видах дисков есть разметка на секторы, благодаря которой контроллер может быстро находить нужную информацию. Сами данные помещаются между «заголовком» сектора и его завершающей записью.
Наконец, последнее достижение в области устройств внешней памяти — запоминающие устройства на базе флэш-памяти. В них нет движущихся частей, а носителем информации служит полупроводниковый кристалл. Данные во флэш-памяти обновляются только блоками, но для устройств внешней памяти это вполне естественно. Максимальное количество перезаписей данных для каждого блока хотя и велико, но всё же ограничено. Поэтому встроенный контроллер при записи использует специальный алгоритм для выбора свободных блоков, стараясь загружать секторы диска как можно более равномерно.
Кроме широко распространённых флэш-дисков (сленговое название — «флэшки») этот вид памяти используется в картах памяти (рис. 5.18) для фотоаппаратов, плееров и мобильных телефонов, а также в твёрдотельных винчестерах SSD (англ. Solid, State Disk).
Напомним, что ПЗУ также может изготовляться на базе флэш-памяти.
Рис. 5.18. Флэш-карта
Следующая страница 
Взаимодействие разных видов памяти
Cкачать материалы урока
