Архітектура комп'ютерів

Рис. 11.3. Непосредственно адресуемая память

 

Основная память в соответствии с методами обращения и адресации делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающие друг друга области, имеющие общепринятые названия. В частности, обобщенно логическая структура основной памяти ПК общей емкостью 64 Мбайт представлена на рис. 11.4.

Heпосредственно адресуемая память		Расширенная память
Стандартная память	Верхняя память	Высокая память
0                              640 Кбайт	640 Кбайт   1024 Кбайт	1024 Кбайт   1088 Кбайт	1088 Кбайт        64 Мбайт

Рис. 11.4. Логическая структура  основной памяти

 

Прежде всего, основная память компьютера делится на две логические области: непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кбайт с адресами от 0 до 1024 - 1, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов или в защищенном режиме работы микропроцессора.

Драйвер — специальная программа, управляющая работой памяти или внешними устройствами компьютера и организующая обмен информацией между МП, ОП и внешними устройствами компьютера.

Стандартной памятью (СМА — Conventional Memory Area) называется непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт.

Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 до 1024 Кбайт называется верхней памятью (UMA — Upper Memory Area или UMB — Upper Memory Blocks). Верхняя память зарезервирована для служебной памяти (ранее называлась видеопамятью дисплея) и постоянного запоминающего устройства. В служебной памяти формируются участки-«окна», используемые при помощи драйверов в качестве оперативной памяти общего назначения.

Расширенная память — память с адресами от 1024 Кбайт и выше. В реальном режиме имеются два основных способа доступа к этой памяти:

□  по спецификации XMS (память ХМА — extended Memory Area);

□  по спецификации EMS (память ЕМА — Expanded Memory Area).

Доступ к расширенной  памяти, согласно спецификации XMS (eXtended Memory Specification), организуется при помощи специального драйвера (например, ХММ — eXtended Memory Manager) путем пересылки по мере необходимости отдельных полей ХМА в свободные области верхней памяти (UMA). Эту память иногда называют дополнительной.

Спецификация EMS (Expanded Memory Specification) является более ранней. Согласно этой спецификации, доступ реализуется не путем пересылки, а лишь путем отображения по мере необходимости отдельных полей Expanded Memory в свободные области верхней памяти. Отображение организуется путем динамического замещения адресов полей ЕМА в «окнах» UMA размером 64 Кбайт, разбитых на 16-килобайтовые страницы. В окне UMA хранится не обрабатываемая информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к этой информации. Память, организуемая по спецификации EMS, носит название отображаемой. Поэтому сочетание слов Expanded Memory (EM) иногда переводят как отображаемая память (хотя термин Expanded почти идентичен термину Extended и более точно переводится как расширенный, увеличенный). Для организации отображаемой памяти при работе в реальном режиме процессора необходим драйвер ЕММ.ЕХЕ (Expanded Memory Manager). Отображаемая память медленная, и поэтому она постепенно уступает место Extended Memory.

В реальном режиме расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ ОС. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков. Исключение составляет НМА, которая может адресоваться и непосредственно при использовании драйвера HIMEM.SYS (High Memory Manager). Область НМА может использоваться для хранения любой информации, в том числе и программ пользователя. Возможность непосредственной адресации высокой памяти обусловлена особенностью сегментной адресации ячеек ОП, поскольку в этой концепции максимально возможный адрес ячейки памяти с непосредственной адресацией формируется из максимально возможного адреса сегмента FFFFF (то есть 1024² - 1) — верхняя граница непосредственно адресуемой верхней памяти, плюс максимально возможный адрес смещения в этом сегменте FFFF — получаем верхнюю границу непосредственно адресуемой высокой памяти.

 

Лекция 14

Внешние запоминающие устройства

 

Устройства внешней памяти, или, иначе, внешние запоминающие устройства (ВЗУ), весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т. д. При этом под носителем понимается материальный объект, способный хранить информацию.

Один из возможных  вариантов классификации ВЗУ  приведен на рис. 11.5.

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

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

Рис. 11.5. Классификация  ВЗУ

 

Накопители на дисках более разнообразны (таблица 11.3):

□  накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) — накопители на флоппи-дисках, или дискетах;

□   накопители на жестких  магнитных дисках (НЖМД) — винчестеры;

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

□   накопители на флоптических дисках — floptical-накопители;

□  накопители сверхвысокой плотности записи (Very High Density) — VHD-на-копители;

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

□   накопители на оптических дисках с однократной записью и многократным чтением (Continuous Composite Write Once, Read Many) — CC WORM;

□   накопители на магнитооптических дисках — НМОД;

□  накопители на цифровых видеодисках (Digital Versatile Disk) — DVD и др.

Магнитные диски (МД) относятся  к магнитным машинным носителям информации. В качестве запоминающей среды в них используются магнитные материалы со специальным свойством (прямоугольная петля гистерезиса), позволяющим фиксировать два направления намагниченности, которым ставятся в соответствие двоичные цифры 0 и 1.

Накопители на МД (НМД) являются наиболее распространенными  внешними запоминающими устройствами в ПК. Они бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Все  диски, и магнитные, и оптические, характеризуются своим диаметром, или, иначе, форм-фактором. Наибольшее распространение получили диски с форм-фактором 3,5 дюйма (89 мм). Но существуют диски и с форм-факторами 5,25 дюйма (133 мм), 2,5 дюйма (64 мм), 1,8 дюйма (45 мм) и др.

Информация на магнитные  диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Совокупность дорожек МД, находящихся на разных пластинах-дисках и на одинаковом расстоянии от его центра, называется цилиндром. При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.

Таблица 11.3. Сравнительные характеристики дисковых накопителей

Тип накопителя	Емкость, Мбайт	Время доступа1, мс	Трансфер2, Кбайт/с	Вид доступа
НГМД	1,2; 1,44	65-100	55-150	Чтение-запись
Жесткий диск	1000-300000	5-30	500-60000	Чтение-запись
Бернулли	20-230	20	500-2000	Чтение-запись
Floptical	20-120	65	100-1000	Чтение-запись
VHD	120-240	65	200-1000	Чтение-запись
DVD	4700-17 000	150-200	1380	Чтение-запись
CD-ROM	250-1500	50-300	150-3000	Чтение
CD-RW	120-1000	50-150	150-3000	Чтение-запись
НМОД	128-2600	50-150	300-6000	Чтение-запись
Flash	32-4000	10-4	512-80000	Чтение-запись

¹   Время доступа — средний временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные.

²  Трансфер — скорость передачи данных при последовательном чтении. На рис. 11.6 показана логическая структура магнитного диска.

Рис. 11.6. Логическая структура  магнитного диска

 

Кроме основной своей характеристики — информационной емкости — дисковые накопители характеризуются и двумя другими показателями:

□   временем доступа;

□   скоростью считывания последовательно  расположенных байтов.

Время доступа (access time) к информации на диске, то есть время, которое дисковод тратит до начала чтения-записи данных, складывается из нескольких составляющих:

□  времени перемещения магнитной  головки на нужную дорожку (seek time);

□   времени установки головки  и затухания ее колебаний (setting time);

□  времени ожидания вращения (rotation latency) — ожидания момента, когда из-за вращения диска нужный сектор окажется под головкой.

Диски относятся к  машинным носителям информации с  прямым доступом. Понятие прямой доступ применительно к диску 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 записи-чтения накопителя. После доступа к информации происходит ее последовательное считывание — хорошие дисководы обеспечивают скорость считывания (transfer rate) 20 Мбайт/с и выше.

Рассматривая организацию  данных на внешних носителях, следует  различать физическую и логическую организацию. Физическая организация определяет правила размещения данных на внешних носителях, логическая — описывает взаимные связи между данными и способы доступа к ним. Поскольку при работе на компьютере пользователь практически взаимодействует только с файлами, необходимо подробнее познакомиться с организацией файловой системы.

 

Файлы, их виды и организация

Файлом называется именованная совокупность данных на внешнем носителе информации. В ПК понятие файла применяется в основном к данным, хранящимся на дисках (реже — на кассетной магнитной ленте), и поэтому файлы обычно отождествляют с участком (областью, полем) памяти на этих носителях информации.

Поэтому возможно такое  определение: файл — именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных. Данные, содержащиеся в файлах, имеют самый разнообразный характер: программы на алгоритмическом или машинном языке; исходные данные для работы программ или результаты выполнения программ; произвольные тексты; графические изображения и т. п. Понятие файла в операционной системе (ОС) обобщается на внешние устройства и блоки компьютера (логические устройства), работающие с массивами данных: принтер, клавиатуру, дисплей, оперативную память (виртуальные диски) и т. д.

Файловой  системой (ФС) называется совокупность программ, обеспечивающая выполнение операций над файлами. В настоящее время в ОС для ПК используются десятки файловых систем: в DOS — FAT16, FAT32 и FAT12 для гибких дисков (FAT — File Allocation Table, таблица размещения файлов), для Windows 9х характерны FAT16 и FAT32, популярными в Windows NT и Windows 2000 является NTFS, для OS/2 — HPFS, для ОС — Ext2FS и т. д. Наибольшее распространение получили файловые системы DOS: FAT16 и FAT32. Некоторые их особенности и различия будут рассмотрены ниже.

В общем случае при  программировании работы с файлами  необходимо производить:

□   задание и указание области ОЗУ для ввода-вывода информации файла;

□   чтение информации (считывания записей) из файла;

□   запись информации (включение записей) в файл;

□   создание файла (присвоение файлу имени, проверка уникальности этого имени файла, формирование атрибутов и т. д.);

□   изменение атрибутов  файла;

□   открытие файла (отыскание файла на диске и  перенос в ОЗУ атрибутов файла);

□   закрытие файла (сохранение на диске атрибутов файла  для дальнейшего использования);

□   переименование файла;

□   удаление файла.

При доступе по идентификатору ASCIIZ кроме этого необходимо выполнять процедуру установки указателя текущей записи.

В зависимости от версии системы набор таких операций может меняться, но при этом всегда обеспечивается возможность создания и удаления файлов, а также чтение их содержимого и запись информации в них. Файловая система включает в себя также:

□   правила образования  имен файлов и способов обращения  к ним;

□   иерархическую  систему оглавления файлов;

□   структуру хранения файлов на дисках;

□   методы доступа  к содержимому файлов.

Файлы могут создаваться  в двух форматах: двоичном и текстовом.

Двоичный файл состоит из последовательности байтов, обычно сгруппированных в логические записи фиксированной длины. В двоичных файлах хранятся исполняемые программы и данные во внутреннем (двоичном, кодовом) представлении. Файлы с исполняемыми программами при их запуске должны иметь определенную структуру, что операционная система обязательно анализирует. При выводе двоичного файла на дисплей или принтер прочесть его содержимое невозможно, так как при этом считываемые 8-разрядные двоичные коды (байты) переводятся в произвольные графические символы, звуковые сигналы или вообще не воспринимаются, если данный код не имеет графического представления и никак на устройство не действует.