Шпаргалка по "Цифровому устройству"

В основе динамических ОЗУ (DRAM) используется заряд межэлектродных конденсаторов C_ij емкостью менее 0.1 пФи током заряда менее 10^-10 А.

Преимуществом динамических ОЗУ является высокая степень интеграции элементов памяти и малая потребляемая мощность. Недостатком их является большое время доступа 50-70 нс по сравнению со статической памятью, где оно равно менее 15 нс.

ВОПРОС 22

Постоянные и  полупостоянные запоминающие устройства  

Постоянные и  полупостоянные ЗУ используются в ЭВМ  как долговременная память для хранения констант, программ BIOS, POST, конфигурации ЭВМ и параметров устройств.

     Среди  главных достоинств можно назвать следующие:

• энергонезависимость, т.е. способность хранить информацию при выключенном питании (энергия расходуется только в момент записи данных);
• информация может храниться очень длительное время (десятки лет);
• сравнительно небольшие размеры;
• высокая надежность хранения данных, в том числе устойчивость к механическим нагрузкам;
• не содержит движущихся деталей (как в жестких дисках).

     Основные недостатки флэш-памяти:

• невысокая скорость передачи данных (в сравнении с динамической оперативной памятью);
• незначительный объем (по сравнению с жесткими дисками);
• ограничение по количеству циклов перезаписи (хотя эта цифра в современных разработках очень высока – более миллиона циклов).

    Флэш-память строится на однотранзисторных элементах памяти с "плавающим" затвором, что обеспечивает высокую плотность хранения информации.    Существуют различные технологии построения базовых элементов флэш-памяти, разработанные ее основными производителями. Эти технологии отличаются количеством слоев, методами стирания и записи данных, а также структурной организацией, что отражается в их названии. Наиболее широко известны NOR и NAND типы флэш-памяти, запоминающие транзисторы в которых подключены к разрядным шинам, соответственно, параллельно и последовательно.

•      Современные технологии производства флэш-памяти позволяют использовать ее для различных целей. Непосредственно в компьютере эту память применяют для хранения BIOS (базовой системы ввода-вывода), что позволяет, при необходимости, производить обновление последней, прямо на рабочей машине.
•      Распространение получили, так называемые, USB-Flash накопители, эмулирующие работу внешних винчестеров. Эти устройства подключается, обычно, к шине USB и состоит из собственно флэш-памяти, эмулятора контроллера дисковода и контроллера шины USB. При включении его в систему (допускается "горячее" подключение и отключение) устройство с точки зрения пользователя ведет себя как обычный (съемный) жесткий диск. Конечно, производительность его меньше, чем у жесткого диска.
•      Флэш-память нашла широкое применение в различных модификациях карт памяти, которые обычно используются в цифровых видео- и фотокамерах, плеерах, телефонах.
•      Необходимо отметить, что надежность и быстродействие флэш-памяти постоянно увеличиваются. Теперь количество циклов записи/перезаписи выражается семизначной цифрой, что позволяет практически забыть о том, что когда-то на карту памяти можно было записывать информацию лишь ограниченное число раз. Современные USB-Flash накопители уже рассчитаны на шину USB 2.0 (и она им действительно необходима). На рынке появляется все больше пылевлагозащищенных устройств. При этом все большее и большее количество производителей встраивают кардридеры в настольные корпуса персональных компьютеров. Это безусловно свидетельствует о том, что данный тип памяти уже стал одним из популярнейших. 

ВОПРОС 23

Гибкие диски  используются как долговременная сменная  память компьютера. Конструктивно диски  представляют собой тонкие пластинки  диаметром 5.25 и 3.5 дюйма, изготовленные  из лавсана, покрытые оксидом железа или сплавом кобальта (высокая плотность). Некоторые пластинки по краю внутреннего отверстия имеют кольцо жесткости, повышающее устойчивость диска к деформации при зажиме их внутри дисковода. Для защиты от пыли и касаний предметов пластинки помещают в пластмассовый чехол. В чехле диска на 5.25 имеются отверстия (рис. 4.1) для зажима механизма вращения диска (1) с кольцом жесткости (5), для контакта с магнитными головками (2), для фиксации начала дорожки (маркер) (3), для запрещения/разрешения записи (4). В диске на 3.5 чехол твердый, отверстие доступа к диску закрывает металлическая задвижка, предохраняющая пластину от повреждений.

В рабочем режиме диск вращается электромотором с  постоянной скоростью 300 или 360 (высокая  плотность) оборотов в минуту. К отверстию в чехле (2) с двух сторон подводятся магнитные головки, которые последовательно осуществляют запись (считывание) информации на дорожки пластины.

При любом способе  записи нумерация дорожек начинается с края и сверху пластины от нулевой до тридцать девятой или семьдесят девятой. Ширина дорожки зависит от радиальной плотности записи ТРI и составляет 0.33 мм при 360 Кб (ТРI=48 дорожек на дюйм и 40 дорожек на одну сторону)  или 0.16 мм для дисков 1.2 Мб при TPI = 96 и высокой плотности записи. НГМД 3.5" емкостью 1.44 Мб имеют TPI = 135. Каждая дорожка разбивается на секторы. Секторы нумеруются по порядку 1, 2, 3... начиная с нулевой дорожки от маркера, в сторону противоположную вращению пластины (рис. 4.1). Программа FORMAT.COM размечает диск на необходимую плотность, число секторов и дорожек. Эта же программа контролирует исправность секторов и заносит характеристики форматирования диска в FAT в начальные секторы.

Накопители  на магнитооптических  дисках  

 

Магнитооптические (МО) накопители являются одними из самых старейших представителей устройств со сменным носителем информации. Современные МО сочетают в себе большую емкость, высокую долговечность и надежность, возможность переносить данные, а также делать копии программ и операционных систем. Производителем и фактически монополистом на рынке МО накопителей является фирма Fujitsu.

Существуют 2 вида МО накопителей: 5.25 и 3.5 дюйма. МО диски 5.25 с двухсторонней записью изготавливаются  емкостью 650 Мб, 1.3 Гб, 2.6 Гб и 4.6 Гб. МО диски односторонние 3.5 изготавливаются емкостью 128 Мб, 230 Мб, 540 Мб, 640 Мб и 1.3 Гб. Эти МО позволяют делать резервные копии не только с ПК, но и с небольших серверов. Наибольшее распространение получили современные МО накопители 3.5" емкостью 640 Мб и 1.3 Гб.

MO накопитель  объединяет в себе магнитные  и лазерные технологии. Во время  процесса записи интенсивный  лазерный луч фокусируется на  диске, покрытом особым кристаллическим  сплавом, который может сохранять  магнитное поле. После нагревания  сплава до критической температуры 145^ОС (точка Кюри) [14] кристаллы сплава становятся свободными и перемещаются под воздействием пишущей головки, которая изменяет намагниченность кристаллов сплава. Величина вертикальной намагниченности участка около 0.5 кв. микрона (участок намагничен – логическая "1") позволяет изменять направление поляризации (эффект Керра) или не изменять характеристики чтения отраженного маломощного лазерного луча (участок размагничен – логическая "0"). В процессе чтения/записи головки не соприкасаются с поверхностью носителя, что способствует надежности МО. К недостаткам МО накопителей следует отнести   низкую скорость записи данных  (из-за медленной скорости нагрева участков для записи), а также несовместимость с флоппи-дисководом.

Накопители на жестких магнитных дисках  

Накопители на жестких магнитных дисках типа "винчестер" предназначены для долговременного  хранения информации в составе компьютера. Название «винчестер» НЖМД получил  в 1973 г., когда фирма IBM изготовила герметичный  пакет из двух заменяемых дисков по 30 Мб  каждый. Цифры 30 / 30 ассоциировались у пользователей с калибром популярной в США двустволки «Винчестер 30 / 30». В 1983 г. ЭВМ PC XT стали комплектоваться несъемными винчестерами емкостью 10 Мб со средним временем доступа 100 мс

Оптические накопители  

 

В 1972 г. компания Phllips продемонстрировала систему Video Long Play. В ней  был использован для  записи данных  принцип "засечек". Он стал началом развития CD-, а в  дальнейшем и DVD-технологий. Первый стандарт оптических накопителей CD-ROM, включающий систему записи на компакт-диск произвольных цифровых данных, разработан в 1984 г. фирмами Philips и Sony.

Массово компакт-диск постоянной памяти СD-RОМ выпускается  с 1988 г. как накопитель информации  емкостью 650 Мб. Эта информация соответствует примерно 330 000 страницам текста или 74 минутам высококачественного звучания.

На данный момент существует несколько стандартов CD-ROM – это AAD, DDD, ADD. Буквы этой аббревиатуры отражают формы звукового сигнала, использованные при создании диска: первая – при исходной записи, вторая – при обработке и сведении, третья – конечный мастер-сигнал, с которого формируется диск. "A" обозначает аналоговую (Analog) форму, "D" – цифровую (Digital). Мастер-сигнал для CD всегда существует только в цифровой форме, поэтому третья буква аббревиатуры всегда "D". При записи и обработке сигнала в аналоговой форме сохраняются высшие гармоники, но  возрастает уровень шума. При обработке в цифровой форме высшие гармоники принудительно обрезаются на половине частоты дискретизации.

Компакт - диски CD-ROM изготавливаются толщиной 1.2 мм с внешним диаметром 12 см, с внутренним отверстием 15 мм из полимерного материала, который покрыт с нижней стороны  пленкой из сплава алюминия (рис. 4.7.).

Эта пленка является носителем информации, которая после записи защищается дополнительным слоем лака. Верхний слой является нерабочим, и на него наносятся этикетки и надписи.

. Перезаписываемые  оптические  накопители  

Кроме CD-ROM все  более широкое применение находят  стандарты CD-R (Recordable - записываемый) и CD-RW (ReWritable - перезаписываемый). Для однократной записи CD-R используются так называемые "болванки", представляющие собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен преимущественно из золотой или серебряной пленки. Между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала (красителя), темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные "засечкам".

Перезаписываемые  диски CD-RW имеют семислойную структуру, отличающуюся от дисков CD-R, которые  содержат пять слоев, как показано на рис. 4.9. В CD-RW  используется промежуточный  слой из металлопластика, изменяющий под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно. В результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое состояние. Такие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже однократных CD, что затрудняет их считывание в обычных приводах. Для чтения CD-RW  необходим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника (Auto Gain Control), хотя некоторые обычные приводы CD-ROM и бытовые проигрыватели способны читать их наравне с обычными дисками. Способность привода читать CD-RW носит название Multiread.

ВОПРОС 25

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких БИС.

Запоминающее  устройство, которое на рис. 1а было показано в виде одного блока, на рис. 1б представлено двумя блоками: постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) и оперативным  запоминающим устройством (ОЗУ). ПЗУ  служит для хранения неизменяемой части программы и может работать только в режиме выдачи информации. ОЗУ используется для хранения промежуточных данных и может не только принимать на хранение, но и выдавать записанную ранее информацию. В микропроцессорной технике приняты термины “запись” и “чтение” информации. Процессы чтения и записи всегда сопровождают друг друга. Например, информация читается из ОЗУ и записывается в буферный регистр ЦПУ.

Шина данных в МП-системе - двунаправленная. Информация по ней может передаваться как в ЦПУ, так и из ЦПУ. Направление передачи по ШД устанавливает ЦПУ.

Шина управления в рассматриваемой системе состоит  из набора отдельных проводников, каждый из которых предназначен для передачи определенного сигнала в определенном направлении. МП 8080 выполнен в корпусе, имеющим 40 выводов. Это оказывается недостаточным для того, чтобы предоставить каждому сигналу управления отдельный вывод.

Поэтому часть  сигналов управления передается по выводам  шины данных в режиме разделения времени. Этим объясняется соединение на схеме рис. 2 буфера шины управления как с внутренним устройством управления (УУ), так и с шиной данных.

Разрядностью  шины адреса (ША) определяется предельно  возможный объем памяти, которой  может быть укомплектована МП-система. Чем больше объем памяти, тем более сложные программы может реализовать система и тем мощнее ее вычислительные и управляющие возможности. МП типа 8080 имеют 16-разрядную адресную шину. Это означает, что ЦПУ может адресоваться к 216 = 65536 ячейкам памяти. Учитывая, что по каждому адресу может храниться 8-разрядное слово (1 байт), получаем, что предельный объем памяти составляет в данном случае 64 КБайт (1 Кбайт = 1024 байт). Шина адреса - однонаправленная, код адреса из ЦПУ поступает на ПЗУ, ОЗУ и АВВ.

В состав МП входит арифметико-логическое устройство (АЛУ), способное выполнять простейшие арифметические и логические операции с одним или двумя кодовыми словами. Один из операндов (или единственный операнд), над которыми производится действие в АЛУ, как правило, хранится в регистре-аккумуляторе (RG A). В этот же регистр передается результат выполнения операции. В АЛУ имеются также регистры временного хранения операндов, которые на рис. 2 не показаны.

Непосредственно к АЛУ примыкает регистр флажков (RG F), в котором хранится информация (5 разрядов) о признаках, характеризующих результат, полученный в АЛУ после выполнения очередной операции. Эти признаки представлены следующими битами: битом переноса (С), битом дополнительного переноса (ас), битом знака (S), битом нулевого признака (Z), битом четности (P). Бит переноса устанавливается равным 1 при переносе из старшего разряда (переполнение разрядной сетки). Дополнительный перенос - это перенос из младшего полубайта в старший. Информация об этом переносе нужна при переводе двоичных чисел в двоично-десятичные. Бит знака равен 1 тогда, когда в 7-м (старшем) разряде результата операции присутствует единица (отрицательные числа в ЦПУ представлены в дополнительном коде). Если Z = 1, то это означает, что получен нулевой результат. И, наконец, бит четности, равный единице, указывает на то, что в полученном результате содержится четное число кодовых единиц.