Учебно-методические материалы по медицинской информатике и статистике с сайта 1mgmu.com

Это - учебно-методические материалы по медицинской информатике и статистике с сайта 1mgmu.com

6.2.2 Компьютер. Железо и программы. Оперативная память

Центральное ядро компьютера состоит из оперативной памяти, в которой хранятся программы и данные, и центрального процессора, который выполняет программы, записанные в оперативно памяти, и управляет работой всех составных частей компьютера. Компьютер, состоящий только из центрального ядра, будет страдать аутизмом – если он чего-нибудь и посчитает, то никому это не расскажет. Поэтому все остальные части нужны для связи центрального ядра с внешним миром, и их можно разделить на устройства ввода, устройства вывода и внешние запоминающие устройства.

Самые популярные устройства ввода у персонального компьютера – клавиатура и манипулятор типа мышь (или другие заменяющие его устройства), самые популярные устройства вывода – монитор и принтер. Компьютером, состоящим из центрального ядра, клавиатуры, монитора и принтера, теоретически пользоваться можно, но практически нереально, так как он страдает тяжелым склерозом – при каждом выключении забывает все, так как при обесточивании содержимое оперативной памяти стирается.

Поэтому используются также внешние запоминающие устройства, которые не теряют информацию при выключении, а также обычно имеют значительно больший объем хранения информации, но меньшую скорость ее записи и считывания.

В начале компьютерного века для хранения информации во внешних запоминающих устройствах использовались в основном механические носители – бумажные ленты или парты, в которых в определенных местах пробивались отверстия. Сейчас в основном используются следующие три типа носителей:

ленты или диски с магнитной поверхностью, на которой биты информации кодируются наличием или отсутствием соответствующим образом намагниченного участка;

оптические носители - полупрозрачные пластины, на которых выжжены, выдавлены или «затемнены» «точки», кодирующие биты, считывание происходит оптическим образом, от луча лазера;

перезаписываемая оперативная память – разновидность оперативной памяти, в которой при снятии электропитания содержимое не стирается.

Обычно персональный компьютер состоит из системного блока, к которому подключаются монитор (иногда может быть конструктивно совмещен с системным блоком), клавиатура, мышь, принтеры и другие устройства. Многие устройства, такие, как накопители на гибких или жестких магнитных дисках, CD- и DVD-драйверы, могут быть как внутренними (находящимися внутри системного блока), так и внешними (подключающимися к системному блоку через разъемы). Обычно вариант с внешним подключением более дорогой и медленный, но более гибкий.

Основной и самый большой компонент системного блока PC-совместимых компьютеров – так называемая материнская плата. Она содержит ряд элементов, в том числе обеспечивающих передачу информации от одних устройств к другим, а также ряд гнезд, куда могут вставляться другие компоненты, в том числе:

разъемы для подключения электропитания;

одно или несколько гнезд для установки центрального процессора;

гнезда, куда можно вставлять «планки» с оперативной памятью;

одно гнездо для подключения интерфейсного кабеля накопителя на гибких магнитных дисках. Этот интерфейсный кабель выполняется в виде плоского «шлейфа» с одним или двумя разъемами для подключения накопителей на гибких дисков, поэтому более двух встроенных накопителей на гибких дисках в одном компьютере быть не может;

два (иногда - больше) гнезда для подключения в аналогичного интерфейсного кабеля накопителя на жестких магнитных дисках. Так как оптические CD и DVD-драйверы также используют такие подключения, то обычно число жестких дисков и оптических накопителей не может быть больше 4 (для большего количества их нужно подключать через управляющие платы расширения);

гнезда (слоты) расширения, куда можно вставлять платы с другими компонентами, например, с модемом, звуковой картой, графической картой и т.д.

Использование компонентов на платах расширения позволяет более гибко выбирать конфигурацию компьютера, а также производить ее модернизацию. Тенденция последних лет – на материнской плате имеется полный набор интегрированных устройств (кроме процессора и памяти), однако дешевых и невысокого уровня. Такие компоненты называют интегрированными. Если их возможностей не хватает, то можно добавить мощный (и дорогой) компонент на плате расширения. Такие компоненты в последнее время иногда называют дискретными.

Количество слотов расширения и их типы (более подробно будет обсуждаться ниже) различны. Для «накрученных» компьютеров, в которых установлено большое количество внутренних компонент, нужно выбирать материнскую плату с большим количеством слотов расширения, корпусом большого размера и более мощным блоком питания, в противном случае достаточно более компактных и дешевых вариантов.

Некоторые устройства, например звуковая карта, выполнены в виде отдельной платы и вставляются в слот расширения. Слоты расширения расположены так, чтобы вставляемые в них платы выходили краем на заднюю часть системного блока, и к ним можно было подключать устройства. Например, на звуковой карте расположены круглые гнезда типа «тюльпан». Другие устройства, например, внутренние накопители на жестких дисках, выполнены в виде отдельной «коробки». Они имеют два стандартных разъема: один силовой, для подключения к блоку питания, второй интерфейсный – для обмена информацией. Интерфейсный кабель подключается или к соответствующему разъему материнской платы, или к управляющей карте, вставленной в слот расширения.

Для обеспечения возможности модернизации стандартизированы не только силовые и интерфейсные разъемы, но и размеры устройств, для которых внутри системного блока предусмотрено несколько отсеков одного из двух стандартных размеров. В качестве стандарта были приняты размеры накопителей на 5-дюймовых и 3-дюймовых гибких дисках. Сейчас отсеки для 5-дюймовых дисководов используются обычно для CD/DVD драйверы, а 3-дюймовые – под жесткие диски. Иногда используются компактные устройство половинной высоты; для компактных устройств применяются стандарты меньшего размера.

Компоненты, находящееся внутри корпуса, используют для питания напряжение от 12 вольт и ниже (преимущественно постоянный ток), и подключаются в блоку питания через силовые провода с один из нескольких стандартных вариантов разъемов. Единственный опасный компонент в системном блоке – блок питания, состоящий из набора понижающих трансформаторов и выпрямителей, который выполнен в виде отдельной металлической коробки с отверстиями и вентилятором внутри. Обычно компьютер после выключения нельзя включать примерно полминуты, иначе блок питания не обеспечит нужные наборы выходных напряжений, и компоненты системного блока могут сгореть.

С начала 90-х годов в качестве основного стандарта размера системного блока и разъемов блока питания использовался AT, но сейчас почти полностью завершился переход на формат ATX. Блоки питания в этом формате умеют «отключаться» по команде процессора, поэтому по завершению работы и выходу их системы не нужно нажимать на кнопку выключения.

Увеличение тактовой частоты и скорости работы компьютера неизбежно приводит к увеличению потребляемой мощности. Для уменьшения этой тенденции постоянно идет работа по снижению напряжения, потребляемого компонентами компьютера, но потребляемая мощность растет все равно. Если в 80-е годы стандартный блок питания имел мощность около 100 ватт, то сейчас желательно иметь блок питания в 300-400 ватт.

Так как вся потребляемая мощность выделяется в виде тепла, то возникли серьезные проблемы с перегревом энергопотребляющих компонент. Начиная с середины 90-х годов пришлось ставить дополнительный вентилятор на центральный процессор. Сейчас дополнительные вентиляторы приходится ставить и на мощные графические платы и жесткие диски. В результате системные блоки мощных персональных компьютеров стали довольно шумными, а размещать их нужно так, чтобы обеспечить свободный приток воздуха.

В первых электронно-вычислительных машинах оперативная память была организована в виде набора ячеек, а команды имели вид типа «прибавить к содержимому ячейки с номером N1 содержимое ячейки N2». Каждая ячейка состояла из некоторого количества битов, разных в разных электронно-вычислительных машинах. Однако при выполнении программ некоторые ячейки используются чаще, чем другие. Например, если нужно сложить сто чисел, то вначале выполняется команда «прибавить к первой ячейке вторую ячейку», потом «прибавить к первой ячейке третью ячейку» и так далее, то есть первая ячейка задействуется девяносто девять раз, а остальные по разу. Поэтому насколько ячеек памяти стали делать на другой элементной база – более быстрой и дорогой – и для ускорения работы размещать прямо в центральном процессоре. Такие ячейки называются регистрами.
Ячейки памяти используются не только для записи чисел, но и для записи команд, длина которых не соответствует длине числа. Кроме того, приходится работать с числами разной длины, которые плохо укладываются в фиксированную длину ячейки. Поэтому перешли на другой способ адресации и записи, при котором оперативная память – единое поле байтов, а команды и числа могут записываться с произвольного байта и иметь разную длину. При этом структура адресации регистров не изменилась – их по-прежнему несколько, они имеют фиксированную (и, возможно, разную) длину и адресуются по номеру.
Так как при выполнении программ обычно основная работа идет с близко расположенными данными, то для повышения скорости была введена кэш (по английски "кэш"-наличные)-память более быстрый (слишком дорогой, чтобы использовать для всей оперативной памяти) вариант реализации памяти. Если идет работа с каким-то участком оперативной памяти, то эта часть копируется в кэш-память. Кэширование памяти выполняется операционной системой и аппаратно и пользовательским программам недоступно. В современных персональных компьютерах имеется также кэш-память второго уровня – еще более быстрая и расположенная прямо в центральном процессоре.
Недостаток элементной базы, используемой для оперативной памяти персональных компьютеров – в том, что при отключении питания она сбрасывает свое содержимое.
Изначально в персональных компьютерах IBM PC и PC XT использовалась оперативная память объемом 1 Мб, из которого под программы и данные были выделены 640 Кб, а остальное было зарезервировано под видеопамять и BIOS. В видеопамяти записывается то, что отображается на экране монитора, а BIOS (Basic Input-Output System, базовая система ввода-вывода) содержит набор базовых программ, постоянно нужных для работы компьютера, например, программы, тестирующие его сразу после включения. Вначале содержимое BIOS просто фиксировали при изготовлении, потом от постоянной памяти перешли к перепрограммируемой памяти, которая не сбрасывается после выключения питания, но содержимое которой можно менять при помощи специальных программ. Это дало возможность обновлять BIOS.
Еще одно добавление к оперативной памяти – CMOS – специальная память, где хранится информация о настройках режима работы компьютера, например, текущие время и дата, частота работы центрального процессора и памяти, в каком порядке нужно опрашивать устройства, чтобы найти устройство с операционной системой и т.д. Войти в режим редактирования CMOS можно сразу после загрузки компьютера, нажав нужную клавишу (какую клавишу нужно нажать, при этом написано на экране, но нужно успеть достаточно быстро среагировать)обычно клавишу «Delete». Содержимое этой памяти энергозависимо и поддерживается батарейкой или аккумулятором, находящимся на материнской плате. Если компьютер старый или долго не работал, то CMOS может обнулиться. В этом случае после включения появляется информация, что сейчас – первое января 1980 года, а компьютер работать не может, так как у него нет накопителей ни на гибких, ни на жестких дисках. Для устранения этого нужно перезагрузиться, войти в режим редактирования CMOS и выставить нужные параметры. Если на материнской плате есть батарейка, то ее лучше заменить (используются стандартные «часовые» элементы питания), если аккумулятор – не выключать компьютер хотя бы несколько часов.
У современных персональных компьютеров есть возможность в широких пределах менять режимы работы, «разгоняя» процессор и память. Однако повышение скоростей выше штатной (так называемый оверклокинг) не только снижает надежность работы компьютера и сокращает время его работы, но и может просто сжечь его компоненты.
С другой стороны, у отечественных компьютерных магазинов обычно принят принцип:
1. Если что-то плохо работает, то это нужно не выбросить, а продать лохам.
2. Все государственные учреждения – лохи.
3. Государственные медицинские учреждения – лохи в кубе.
Плохо работающие компоненты часто как-то работают только на пониженных частотах, с увеличенным количеством тактов и т.д. Поэтому, пока компьютер на гарантии, следует войти в программу конфигурации, тщательно списать все выставленные параметры на бумажку и поменять режимы на стандартные (обычно такая возможность есть в качестве отдельной строки).
Если компьютер старый или модернизированный, то снижение частот может быть единственным способом заставить его работать.
Начиная с PC AT к основной оперативной памяти стали добавлять дополнительную, расширяя ее до больших размеров. Сейчас обычные размеры оперативной памяти – от 256 Мб до 1 Гб и более. Однако в любом случае после включения компьютера он работает с основным полем памяти в 1 Мб, а возможность использования остального объема появляется после загрузки так называемого драйвера верхней памяти.
Если в компьютере нет мощной графической платы и т.д., то скорости основной оперативной памяти для работы с изображением хватает. В этом случае часть основной оперативной памяти (например, 16 Мб) отводится под видеопамять. У мощных дискретных графических плат имеется собственная оперативная память размером от нескольких мегабайт до нескольких десятков мегабайт. Для нее используются более дорогие и более быстрые элементы. Она может также поддерживать дополнительные режимы, актуальные именно для видеоизображений, например, одновременное чтение и запись.

Оглавление раздела нижнего уровня
Оглавление раздела верхнего уровня
ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЙ

НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ САЙТА

Материалы используются на Едином Образовательном Пространстве Первого московского государственного медуниверситета им. И.М. Сеченова