Основная структурная единица хранения информации в памяти компьютера при автоматизированной

Устройства хранения информации

Запоминающее устройство — носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Устройства хранения информации делятся на 2 вида:

• внешние (периферийные) устройства
• внутренние устройства

К внешним устройствам относятся магнитные диски, CD,DVD,BD,cтримеры,жесткий диск(винчестер),а также флэш-карта. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти.

К внутренним устройствам относятся оперативная память, кэш-память, CMOS-память, BIOS. Главным достоинством является скорость обработки информации. Но в то же время устройства внутренней памяти довольно дорогостоящи.

Основная структурная единица хранения информации в памяти компьютера при автоматизированной

Внешняя (долговременная) память — это место длительного хранения данных (программ, результатов расчётов, текстов и т.д.), не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, в отличие от оперативной, является энергонезависимой. Носители внешней памяти, кроме того, обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьютеры не объединены в сети (локальные или глобальные).
Целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:
В состав внешней памяти компьютера входят:
• накопители на жёстких магнитных дисках;
• накопители на гибких магнитных дисках;
• накопители на магнито-оптических компакт-дисках;
• накопители на магнитной ленте (стриммеры) и др.
В персональном компьютере применяются два вида магнитных дисков:
• жесткий несъемный диск (винчестер*);
• гибкие сменные диски (дискеты)

Жесткий диск

Жесткий диск (Hard Disk) предназначен для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, различных данных.
Жесткий диск — это магнитный диск, который устанавливается в системном блоке компьютера. Внешне этот диск представляет собой герметичную металлическую коробку, внутри которой расположен сам диск, магнитные головки чтения-записи, механизмы вращения диска и перемещения головок. Хотя говорят «диск», на самом деле жесткий диск состоит из нескольких дисков, нанизанных на общую ось. Запись информации производится на обе стороны каждого диска. Соответственно, имеется необходимое количество магнитных головок. Наличие жесткого диска значительно повышает удобство работы с компьютером. В настоящее время компьютеры без жесткого диска не используются. Правда, если компьютер включен в локальную компьютерную сеть, то он может работать без собственного жесткого диска, но тогда он использует жесткий диск центрального компьютера. Для пользователя жесткие диски отличаются друг от друга прежде всего своей емкостью. Современные жесткие диски имеют емкость от одного до сотен гигабайт (Гб).

Дискета

Гибкие магнитные диски (дискеты) бывают двух типов: (3,5″ — 8 мм) и (5,25″ — 133 мм). Тип определяется диаметром диска, находящегося внутри пластиковой коробки. Сейчас 5-ти дюймовые дискеты уже совсем не используются. Сама пластиковая коробка выполняет функцию защиты от внешних воздействий.
Флоппи — диски могут быть повреждены, если:
• дотрагиваться до записывающей поверхности;
• писать на этикетке дискеты карандашом или шариковой ручкой;
• сгибать дискету;
• перегревать дискету (на солнце или около батареи отопления);
• подвергать дискету воздействию магнитного поля.
Магнитные диски (жесткие – винчестеры и гибкие – дискеты) предназначены для долговременного хранения больших массивов информации, в том числе и во время отключения компьютера. Для этого магнитная поверхность диска размечается: на диске с двух сторон диска проводятся (намагничиваются магнитной головкой дисковода) равноотстоящие друг от друга концентрические окружности – дорожки (треки). На стандартной дискете 3,5” обычно 80 дорожек. Каждая дорожка разбивается на одинаковое количество частей – сектора. Сектор – это минимальная часть дорожки, на которую может быть записана или считана информация. Обычно размер сектора составляет 512 байт. На стандартной дискете 18 секторов на дорожке.
Например, емкость дискеты 3,5” составляет 2 стороны * 80 дорожек * 18 секторов на дорожке* 512 байт = 1440 Кб = 1,44 Мб.
Обычно новые дискеты поставляются неразмеченными и с ними нельзя работать. Процесс разметки дискеты на дорожки и сектора называется форматированием.
Форматирование – создание логической структуры диска.
Структура диска – магнитные концентрический дорожки (окружности), разделенные на сектора, помеченные магнитными метками.
Сектор (кластер)– минимальная порция информации.
При форматировании дисков создается файловая таблица FAT – таблица размещения файлов, используемая операционной системой для размещения и поиска файлов и каталогов на диске.
Кроме того, в случае сбоев на дискете («Ошибка чтения») полезно дискеты переформатировать заново – в результате сбойные сектора будут закрыты для записи, исключая в будущем потерю информации, записанной на них.
При форматировании вся информация на диске уничтожается .

Накопители на компакт-дисках. CD-ROM

CD-ROM — это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения, на котором может храниться до 650 Мб данных. Доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на дискетах, но медленнее, чем на жёстких дисках.
Компакт-диск диаметром 120 мм (около 4,75’’) изготовлен из полимера и покрыт металлической плёнкой. Информация считывается именно с этой металлической плёнки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. CD-ROM является односторонним носителем информации.
Накопители CD-R (CD-Recordable) позволяют записывать собственные компакт-диски. Более популярными являются накопители CD-RW, которые позволяют записывать и перезаписывать диски CD-RW, записывать диски CD-R, читать диски CD-ROM, т.е. являются в определённом смысле универсальными.
Аббревиатура DVD расшифровывается как Digital Versatile Disk, т.е. универсальный цифровой диск. Имея те же габариты, что обычный компакт-диск, и весьма похожий принцип работы, он вмещает чрезвычайно много информации — от 4,7 до 17 Гбайт. Возможно, именно из-за большой емкости он и называется универсальным.
Правда, на сегодня реально применяется DVD-диск лишь в двух областях: для хранения видеофильмов (DVD-Video или просто DVD) и сверхбольших баз данных (DVD-ROM, DVD-R).
Разброс ёмкостей возникает так: в отличие от CD-ROM, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. Таким образом, односторонние однослойные диски имеют объем 4,7 Гбайт (их часто называют DVD-5, т.е. диски емкостью около 5 Гбайт), двусторонние однослойные — 9,4 Гбайт (DVD-10), односторонние двухслойные — 8,5 Гбайт (DVD-9), а двусторонние двухслойные — 17 Гбайт (DVD-18). В зависимости от объема требующих хранения данных и выбирается тип DVD-диска. Если речь идет о фильмах, то на двусторонних дисках часто хранят две версии одной картины — одна широкоэкранная, вторая в классическом телевизионном формате.
Устройство CD-ROM содержит:
1 — корпус накопителя, передняя панель,
2 — кнопка выдвигания/задвигания,
3 – оптический диск,
4 — платформа, на которой размещается оптический диск.

Стриммер

Стриммер (stream — длинная лента) — устройство для записи информации на магнитную ленту. Стриммер используется для архивирования информации с жесткого диска.
Стриммер — это магнитофон, который записывает информацию с очень большой скоростью — от единиц до десятков Мб в секунду. Например, стриммеры произведенные компанией IBM в 2003 году имеют скорость 30 Мб/сек. Носителями информации для стриммеров являются кассеты и ленточные картриджи. Кассеты имеют объем до 60 Гб, картриджы до 160 Гб. Эти объемы позволяют сохранить на кассету или картридж информацию со всего жесткого диска. Как и многие другие устройства стриммеры бывают внутренними и внешними. Внутренние стриммеры вставляется в те же пазы системного блока, что и CD-ROM, внешние выполнены в отдельном корпусе и соединяются с компьютером через внешний порт.

Электронные запоминающие устройства

Устройство электронных запоминающих устройств основано на принципах хранения и использования информации посредством электрических зарядов. К электронным запоминающим устройствам относятся различные виды микросхем памяти. Принципиально, микросхемы памяти представляют набор организованных запоминающих элементов к каждому из которых может быть произведено обращение с целью считывания или записи информации объемом в один или более байт. Микросхемы памяти представляют собой устройства, выполненные по технологии микросхемных производств и делятся на микросхемы способные хранить информацию: пока имеется в наличии питающее напряжение и без дополнительной поддержки питающим напряжением. Также, различают устройства, дающие возможность считывать и записывать информацию в динамическом режиме – динамическая память (из них формируется оперативная память компьютера – Оперативное Запоминающее Устройство – ОЗУ (Random Accessed Memory RAM)) и, позволяющие без специальной аппаратуры (программатора) лишь считывать записанную, при помощи специальной аппаратуры, информацию (из них формируется Постоянное Запоминающее Устройство компьютера – ПЗУ (Read Only Memory – ROM)). ОЗУ также называют оперативной памятью или просто памятью компьютера, а ПЗУ – ROM-BIOS памятью (на рисунке изображена микросхема ПЗУ – ROM-BIOS установленная в разъем на материнской плате).
Как правило, электронные запоминающие устройства оформляются в виде микроустройств, микросхем и их наборов. Более крупные интегрированные блоки электронных накопителей информации организуются в виде наборов микросхем памяти, расположенных на одной печатной монтажной плате или в виде расширенных устройств, состоящих из наборов плат с микросхемами памяти и схем управления и регенерации. Микросхемы памяти могут размещаться непосредственно на материнской плате паянным способом или в разъемах для одиночных или SIMM, SIP и DIMM модулей; на платах расширений, вставленных в слоты системной шины внутри системного блока – LIM-EMS расширяемая память, или в виде внешних устройств, подключаемых при помощи специализированных шинных контроллеров и интерфейсов.
К важным функциональным характеристикам микросхем памяти, также, относят объем запоминаемой информации отдельной микросхемой или набором микросхем (в байтах или килобайтах) и скорость чтения/записи. Фирмами производителями выпускаются отдельные микросхемы объемом 32, 64, 128, 256, 1024 и 2048К; и SIMM, SIP и DIMM модули объемом 256, 1024, 2048, 4096, 8192, 16284, 32568К и более, со скоростями чтения/записи 40, 50, 60 и 70 нс.
Технологии производства электронных запоминающих устройств постоянно совершенствуются и развиваются. Сегодня уже очевидно, что в мире устройств хранения данных USB флэшку, одного из самых распространенных носителей информации, ждёт большое будущее. Компактный размер и малый вес, позволяющие свободно переносить флэшнакопитель в карманах одежды и любых самых маленьких сумках и портмоне, высокая скорость работы и большая ёмкость памяти делают его поистине незаменимым для пользователей.
Компания Transcend начала выпуск флеш – дисков серии JetFlash, имеющих емкость 16 Гбайт. Как и в других подобных устройствах, для подключения к ПК используется высокоскоростной интерфейс USB 2.0. По данным производителя, максимальная скорость чтения и записи составляет 25 и 20 Мбайт/с соответственно. В комплект поставки таких флеш – дисков входит несколько полезных утилит: Auto Login (автоматический ввод пароля для доступа на веб – сайты), Data Backup (резервное копирование, восстановление и синхронизация данных между ПК и накопителем JetFlash), E-mail (почтовый клиент), SecureZip (архивирование и шифрование данных), PC – Lock (возможность доступа к ПК только при подключении накопителя JetFlash) и ряд других.

Главное

• Человек хранит информацию в своей памяти для обеспечения своей жизнедеятельности и безопасности. Память человека обеспечивает его способность общаться, учиться и работать, создавать произведения искусства.
• Компьютер — это современный инструмент для хранения закодированной информации.
• Закодировать и хранить в памяти компьютера можно любые данные: и звуки, и изображения, и тексты, и числа, и видеофильмы.

1. Для чего необходимо запоминать и хранить информацию?
2. На каких носителях можно хранить закодированную информацию?
3. В каком виде хранится информация в книгах? В памяти компьютера?
4. Чем библиотека отличается от медиатеки?
5. Где, по-твоему, человеку удобнее хранить информацию — в своей памяти или в памяти компьютера? Обоснуй.

Основная структурная единица хранения информации в памяти компьютера при автоматизированной

• совокупность правил, определяющих эффективную процедуру решения любой задачи из некоторого заданного класса задач;

какой последовательности это правило необходимо применять к исходным дан­ным задачи, чтобы получить ее решение.

Основными свойствами алгоритма являются: дискретность, определенность, массовость и результативность.

Дискретность выражается в том, что алгоритм описывает действия над диск­ретной информацией (например, числовой или символьной), причем сами эти дей­ствия также дискретны.

Свойство определенности означает, что в алгоритме указано все, что должно быть сделано, причем ни одно из действий не должно трактоваться двояко.

Массовость алгоритма подразумевает его применимость к множеству значений исходных данных, а не только к каким-то уникальным значениям.

Наконец, результативность алгоритма состоит в возможности получения ре­зультата за конечное число шагов.

Рассмотренные свойства алгоритмов предопределяют возможность их реали­зации на ВМ, при этом процесс, порождаемый алгоритмом, называют вычислитель­ным процессом.

В основе архитектуры современных ВМ лежит представление алгоритма реше­ния задачи в виде программы последовательных вычислений. Согласно стандарту ISO 2382/1-84, программадля ВМ — это «упорядоченная последовательность ко­манд, подлежащая обработке».

ВМ, где определенным образом закодированные команды программы хранят­ся в памяти, известна под названием вычислительной машины с хранимой в памя­ти программой. Идея принадлежит создателям вычислителя ENIAC Эккерту, Моч- ли и фон Нейману. Еще до завершения работ над ENI АС они приступили к новому проекту — EDVAC, главной особенностью которого стала концепция хранимой в памяти программы, на долгие годы определившая базовые принципы построе­ния последующих поколений вычислительных машин. Относительно авторства существует несколько версий, но поскольку в законченном виде идея впервые была изложена в 1945 году в статье фон Неймана [219], именно его фамилия фигурирует в обозначении архитектуры подобных машин, составляющих подавляющую часть современного парка ВМ и ВС.

Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодиру- ; ются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоич- ‘■

ной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в фор­мате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля (рис. 1.2): поле кода операции (КОп) и поле адресов (адресную часть — АЧ).

Код операции представляет собой указание, какая операция должна быть вы­полнена, и задается с помощью г-разрядной двоичной комбинации.

Вид адресной части и число составляющих ее адресов зависят от типа команды: в командах преобразования данных АЧ содержит адреса объектов обработки (опе­рандов) и результата; в командах изменения порядка вычислений — адрес следую­щей команды программы; в командах ввода/вывода — номер устройства ввода/ вывода. Адресная часть также представляется двоичной последовательностью, длину которой обозначим через/». Таким образом, команда в вычислительной ма­шине имеет вид (г + ^-разрядной двоичной комбинации.

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть пред­ставлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора опе­ раций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность мо­жет быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд програм­мы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычис­лений, либо безусловно.

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразли­чимы. Распознать их можно только по способу использования. Это позволяет про­изводить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного про­граммирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конк­ретной ВМ.

Концепция вычислительной машины, изложенная в статье фон Неймана, пред­полагает единую память для хранения команд и данных. Такой подход был принят

в вычислительных машинах, создававшихся в Принстонском университете, из-за чего и получил название принстонской архитектуры. Практически одновременно в Гарвардском университете предложили иную модель, в которой ВМ имела от­дельную память команд и отдельную память данных. Этот вид архитектуры назы­вают гарвардской архитектурой. Долгие годы преобладающей была и остается принстонская архитектура, хотя она порождает проблемы пропускной способности тракта «процессор-память». В последнее время в связи с широким использовани­ем кэш-памяти разработчики ВМ все чаще обращаются к гарвардской архи­тектуре.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процес­сору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих яче­ек -т- адреса. .

В статье фон Неймана определены основные устройства ВМ, с помощью которых должны быть реализованы вышеперечисленные принципы. Большинство совре­менных ВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления. Типичная фон-неймановская ВМ (рис. 1.3) содержит: память, устройство управ­ления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода.

В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информа­ция поступает из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода. Терми­ном порт обозначают аппаратуру сопряжения периферийного устройства с ВМ и управления им. Совокупность портов ввода и вывода называют устройством вво­ да/вывода (У В В) или модулем ввода/вывода В М (М В Б).

Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем пе­реносится во вторичную память, для длительного хранения. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП), организованной таким образом, что каждое двоичное слово хранится в от­дельной ячейке, идентифицируемой адресом, причем соседние ячейки памяти имеют следующие по порядку адреса. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства (ЗУ) основной памяти может производиться в произвольной последо­вательности. Такой вид памяти известен как память с произвольным доступом. ОП современных ВМ в основном состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость — хранимая информа­ция теряется при отключении электропитания. Если необходимо, чтобы часть ос­новной памяти была энергонезависимой, в состав ОП включают постоянные за­поминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ. Хранящаяся в ПЗУ информация может только считываться (но не записываться).

Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным раз­рядам — байту. Для хранения больших чисел используются 2,4 или 8 байтов, раз­мещаемых в ячейках с последовательными адресами. В этом случае за адрес числа , часто принимается адрес его младшего байта. Так, при хранении 32-разрядного числа в ячейках с адресами 200, 201, 202 и 203 адресом числа будет 200. Такой прием называют адресацией по младшему байту или методом -«остроконечников» (little endian addressing). Возможен и противоположный подход — по меньшему из адресов располагается старший байт. Этот способ известен как адресация по стар­шему байту или метод «тупоконечников» (big endian addressing) 1 . Адресация по младшему байту характерна для микропроцессоров фирмы Intel и мини-ЭВМ фир­мы DEC, а по старшему байту — для микропроцессоров фирмы Motorola и уни­версальных ЭВМ фирмы IBM. В принципе выбор порядка записи байтов существенен лишь при пересылке данных между ВМ с различными формами их адресации или при манипуляциях с отдельными байтами числа. В большинстве ВМ предусмотрены специальные инструкции для перехода от одного способа к другому.

Для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ВМ обыч­но имеется дополнительная память, известная как вторичная. Вторичная память энер­ гонезависима и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков. Информация в ней хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов — файлов (согласно стандарту ISO, файл — это «идентифицированная совокупность экземп­ ляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специ­ альных операций»).

Устройство управления (УУ) — важнейшая часть ВМ, организующая автома­тическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обес­печивающая функционирование ВМ как единой системы. Для пояснения функ­ций УУ ВМ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми

1 Термины «остроконечники» и «тупоконечники» заимствованы из книги «Путешествия Гулливера» Дж. Свифта, где упоминается религиозная война между двумя группами, представители одной из которых разбивали яйцо с острого (little) конца, а их антагонисты — с тупого (big).

происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может под­вергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любы­ми элементами ВМ инициируется своим сигналом управления (СУ), то есть управ­ление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора СУ в нужной временной последовательности. Цепи СУ показаны на рис. 1.3 полутоновыми ли­ниями. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом програм­мой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует СУ для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.

Еще одной неотъемлемой частью ВМ является арифметико-логическое устрой­ство (АЛУ). АЛУ обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух входных переменных, в результате которой формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим опера­циям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и со­бытия, произошедшие в процессе его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью приня­тия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.

УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как единое уст­ройство, известное как центральный процессор (ЦП) или просто процессор. Поми­ мо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (Р О Н), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки.

Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем изна­чально зависят от способа соединения компонентов. При самом общем подходе можно говорить о двух основных типах структур вычислительных машин и двух типах структур вычислительных систем.

В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины..

Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-неймановская ВМ (см. рис. 1.3). В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) опре­деляются видом информации, характером и интенсивностью обмена Достоинством архитектуры с непосредственными связями можно считать возможность развязки «узких мест» путем улучшения структуры и характеристик только определенных связей, что экономически может быть наиболее выгодным решением. У фон-ней­мановских ВМ таким «узким местом» является канал пересылки данных между ЦП и памятью, и «развязать» его достаточно непросто [56]. Кроме того, ВМ с не­посредственными связями плохо поддаются реконфигурации.