Лекции по "Программному обеспечению"

Лекция  № 5 Иерархия памяти персонального компьютера

1. Иерархия  памяти персонального  компьютера

      Память  ПК – это совокупность отдельных устройств, которые запоминают, хранят и выдают информацию. Отдельные устройства памяти называются запоминающими устройствами (ЗУ). Производительность ПК во многом зависит от состава и характеристик запоминающих устройств, которые, в свою очередь, различаются принципом действия и назначением. Основными операциями с памятью являются процедуры записи и считывания (выборки). Общее название указанных процедур – обращение к памяти. Основные характеристики памяти – это емкость и быстродействие (время обращения к памяти).

      Емкость ЗУ измеряется в байтах (1 байт = 8 бит), килобайтах (1 Кбайт= 1024 байт), мегабайтах

      (1 Мбайт= 1024 Кбайт), гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайт), терабайтах (1Тбайт= 1024 Гбайт).

     Быстродействие  измеряется в секундах и находится  в пределах от 10^-2 до 10^-9 с в зависимости от способа доступа к информации.

     По  способу доступа к хранящейся в них информации запоминающие устройства делятся на ЗУ с произвольным, прямым и последовательным доступом.

     В ЗУ с произвольным доступом время  обращения не зависит от места  нахождения данных.

     Такой доступ реализован в регистрах общего назначения, кэш-памяти и внутренней памяти ПК.

     Носитель  информации в ЗУ с прямым доступом непрерывно вращается, в результате данные доступны через некоторый  фиксированный промежуток времени. К ЗУ с прямым доступом относятся НЖМД, НМГД, НОД.

     ЗУ  с последовательным доступом прежде, чем найти необходимые данные, "просматривает" все предыдущие участки памяти. Последовательный доступ реализована в ЗУ использующих магнитную ленту, например в стримерах.

     Следует отметить, что требования, предъявляемые  к емкости и быстродействию ЗУ, являются взаимно противоречивыми с точки зрения технической реализации. Поэтому для эффективного функционирования в ПК память строится по иерархическому принципу, где на разных уровнях иерархии находятся ЗУ, обладающие различными характеристиками. Иерархическая структура памяти ПК представлена на рис. 2.3.

     При движении от 1-го до 3-го уровня иерархии быстродействие ЗУ уменьшается, а  емкость увеличивается.

     Иерархическая организация памяти позволяет повысить производительность ПК и предоставить пользователю практически неограниченную емкость памяти.

     Назначение  и основные характеристики ЗУ 1-го уровня были описаны в пункте в предыдущей лекции. Рассмотрим 2-й и 3-й уровни иерархии памяти ПК.

     НЖМД (HDD — hard disk drive) в обиходе называют винчестером. В отличие от оперативной памяти НЖМД гарантируют долговременное хранение информации, для чего не требуется постоянное питание компьютера от внешнего источника электроэнергии. Для записи данных в жестких дисках используется магнитный слой, который покрывает пластины (диски), вращающиеся внутри винчестера с огромными скоростями. Вдоль пластин перемещаются головки чтения/записи. Основными характеристика современных НЖМД являются: емкость (до 100 Гбайт ); количество пластин (до 10 штук); среднее время поиска информации (меньше 20 мс); скорость вращения пластин (до 15 000 об/мин); вес (меньше 100 г). Основными производителями НЖМД являются фирмы IBM, Seegate, Toshiba, Fujitsu, Samsung.

     НГМД (FDD — floppy disk drive) представляет собой устройство чтения/записи сменных гибких дисков (флоппи-дисков, дискет). Флоппи-диски размером 3,5 " (89 мм) используются только для переноса относительно небольших (1,44 Мбайт) объемов информации между компьютерами. Данные на гибких дисках хранятся подобно данным на винчестере за тем лишь исключением, что диск во флоппи-дисководе вращается с меньшей скоростью и он всего один. Из-за недостаточной герметизации дискеты часто выходят из строя. Таким образом, как носитель информации флоппи-диск крайне ненадежен и в настоящее время применяется все реже.

     НОД являются в настоящее время самыми надежными и распространенными ЗУ внешней памяти. Считывание информации с оптического диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. НОД делятся на CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) – компакт-диск только для чтения; CD-R (Compact Disc Recordable) – однократно записываемый компакт-диск; CD-R W (Compact Disc Rewritable) – перезаписываемый компакт-диск; DVD (Digital Versatile Disk) — универсальный цифровой диск.

     Стандартный оптический диск CD имеет емкость 650 – 800 Мбайт, емкость DVD диска составляет от 4,7 до 17 Гбайт.

     Архивная  память ПК предназначена для длительного и надежного хранения программ и данных. Как видно из рис. 2.3, хранить информацию можно на дискетах, оптических дисках, магнитной ленте, съемных НЖМД и флэш-памяти. Поскольку три первых носителя информации описаны выше, а съемный НЖМД принципиально не отличается от обычного НЖМД, отметим основные свойства флэш-памяти.

     Флэш-память представляет собой особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Это означает, что она не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи), допускает изменение (перезапись) хранимых в ней данных, не содержит механически движущихся частей (как обычные НЖМД или НОД) и построена на основе интегральных микросхем.

     Информация, записанная на флэш-память, может храниться  длительное время (несколько десятков лет) и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5—10 раз превышающие предельно допустимые для обычных НЖМД).

     Размер  носителя флэш-памяти: длина и ширина — от 20 до 40 мм, толщина – до 3 мм, емкость достигает 10 Гбайт, в зависимости от типа флэш-памяти возможна перезапись информации до одного миллиона раз.

     Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в  качестве накопителя не только в ПК, но и в таких портативных устройствах, как цифровые фото- и видеокамеры, мобильные телефоны, портативные компьютеры, МРЗ-плейеры, цифровые диктофоны и др. В ближайшие годы флэш-память станет самым применяемым компактным накопителем информации, постепенно вытесняя привычные дискеты.

 

Рис. 2.3 Иерархия памяти ПК

2. Конфигурация  персонального компьютера

     Конфигурацией ПК называются состав и характеристики устройств, входящих в данный компьютер. Конфигурация подбирается в зависимости  от задач, которые необходимо решать ПК.

     Конфигурация  ПК может быть задана следующим образом: Intel Celeron 2000, Intel Audio & Video (16 – 32 Mb), RAM DIMM DDR SDRAM 256 Mb, FDD 3.5 " 1,44 Mb, HDD Seagate 80 GB 7200, Net 10/100 (неинтегрированная), CD-ROM, ATX 300W, PS/2, mouse PS/2 + scroll, Samsung 17’’ (1024x768x85 Гц), HP LaserJet 1150, Epson Perfection 3200 Photo (A4, 3200x6400 dpi, USB), USB flash 512 Mb.

     В приведенной выше конфигурации можно  выделить:

     • микропроцессор Intel Celeron с тактовой частотой 2ГГц;

     • универсальную аудио/видео карту Intel Audio & Video с памятью 16 – 32 Мбайта);

     • ОЗУ RAM DIMM DDR SDRAM емкостью 256 Мбайт;

     • НМГД для дискет 1,44 Мбайта;

     • НЖМД фирмы Seagate с емкостью 80 Гбайт  и скоростью вращения 7200 об/мин;

     • сетевую плату для Ethernet (10 Мбит/с) и Fast Ethernet (100 Мбит/с);

     • НОД типа CD-ROM;

     • корпус системного блока типа ATX 300W;

     • клавиатуру с разъемом PS/2;

     • мышь с прокруткой и разъемом PS/2;

     • монитор Samsung с размером экрана 17 дюймов, разрешающей способностью 1024 на 768 точек  и частотой восстановления 85 Гц;

     • лазерный принтер HP LaserJet 1150;

     • сканер Epson Perfection 3200 Photo для формата  А4, с разрешающей способностью 3200x6400 dpi и подключаемый к последовательному USB-порту;

     • флэш-память емкостью 512 Мбайт, подключаемая к последовательному USB-порту.

     Модульность, масштабируемость и стандартизуемость отдельных блоков современных ПК позволяет быстро и гибко менять его конфигурацию.

3. Параметры, влияющие на производительность персонального компьютера

     Производительность  ПК является важнейшей его характеристикой. Все факторы и параметры, влияющие на производительность ПК, можно разделить на программные и аппаратные.

     Влияние программных факторов на производительность ПК определяется правильным выбором  и настройкой как операционной системы, так и конкретных программных  приложений.

     Среди множества аппаратных параметров, влияющих на производительность ПК, наиболее важными  являются:

     • быстродействие микропроцессора –  определяется тактовой частотой ГТИ;

     • пропускная способность системной  шины — определяется скоростью обмена с внешними устройствами ПК;

     • время обращения как к внутренним, так и внешним ЗУ;

     • емкость памяти как у внутренних, так и внешних ЗУ;

     • быстродействие внешних устройств, подключаемых к ПК.

     Следует также отметить, что на производительность ПК большое влияние оказывают подготовленность и компетентность пользователя.

4. Тенденции развития вычислительной техники

     По  мнению специалистов, в первом десятилетии XXI в. будут повышаться значимость программного обеспечения, возрастание проблем  его совместимости и обеспечения безопасности.

     Среди операционных систем дальнейшее развитие получат системы Linux и Windows. С точки  зрения конечного пользователя, уже  в ближайшие годы должны произойти  серьезные изменения в стиле  его общения с компьютером. Во-первых, будет шире использоваться графический ввод данных, в том числе в режиме автоматического распознавания рукописного ввода. Во-вторых, будет использоваться голосовой ввод — сначала для управления командами, а потом будет осваиваться и автоматическая оцифровка речи. Для решения вышеуказанных задач будут разрабатываться соответствующие внешние устройства.

     Огромное  значение в будущем будут иметь  работы в области интеллектуальной обработки неструктурированных  данных, в первую очередь текстов, а затем графики, звука, видео.

     Одним из наиболее перспективных направлений  развития вычислительной техники является реализация концепции сетевых вычислений, использующая идею привлечения для  вычислений свободных ресурсов компьютеров. Эта концепция получила название Grid и включает в себя пять ключевых пунктов:

     • применение открытых стандартов;

     • объединение разнородных систем;

     • совместное использование данных;

     • динамическое выделение ресурсов;

     • объединение вычислительных сетей  множества предприятий и организаций.

     Развитие  ЭВМ будет идти по пути создания оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

     Дальнейшее  развитие получат переносные персональные компьютеры с беспроводным подключением к глобальной сети Интернет.

     Следует отметить, что развитие вычислительной техники всецело зависит от тенденций  развития мировой экономической  системы.