Персональные ЭВМ

Общие сведения о ПЭВМ
Появление в 1975 г. в США первого серийного персонального компьютера (персональной ЭВМ — ПЭВМ) вызвало революционный переворот во всех областях человеческой деятельности.
ПЭВМ относится к классу микро ЭВМ.
ПЭВМ предназначена для автономной работы в диалоговом режиме с пользователем.
Общедоступность ПЭВМ определяется сравнительно низкой стоимостью, компактностью, отсутствием специальных требований как к условиям эксплуатации, так и степени подготовленности пользователя.

Смена поколений ПЭВМ
Основой ПЭВМ является микропроцессор (МП). Развитие техники и технологии микропроцессоров определило смену поколений ПЭВМ:
первое поколение (1975—1980 гг.) — на базе 8-разрядного МП
второе поколение (1981—1985 гг.) — на базе 16-разрядного МП
третье поколение (1986—1992 гг.) — на базе 32-разрядного МП
четвертое поколение (1993 г. — по настоящее время) — на базе 64-разрядного МП.

Роль компьютера IBM PC
Компьютер IBM PC, произведенный корпорацией IBM (США) на базе МП Intel-8086 в 1981 г. занял и занимает до сих пор ведущее место на рынке.
Его основное преимущество — так называемая «открытая архитектура», благодаря которой пользователи могут расширять возможности приобретенной ПЭВМ, добавляя личные периферийные устройства и модернизируя его.
Компьютер IBM PC стал как бы стандартом класса ПЭВМ. Примерно 85% всех продаваемых ПЭВМ базируется на архитектуре IBM PC

Классификация ПЭВМ
Бытовые ПЭВМ: предназначены для использования в домашних условиях
Персональные ЭВМ общего назначения применяются для решения задач научно-технического и экономического характера, а также для обучения и тренировки.
Профессиональные ПЭВМ используются в научной сфере, для решения сложных информационных и производственных задач.

Классификация ПЭВМ по конструктивному исполнению
В настоящее время появился новый признак классификации ПЭВМ по конструктивному исполнению, связанному с микроминиатюризацией изделий. Снижение веса и уменьшение габаритов привело к выпуску ПЭВМ типа:
LAPTOP («наколенные» компьютеры)
NOTEBOOK (компьютеры-блокноты) и
HANDHELD (ручной компьютер)

Структурная схема ПЭВМ с периферийными устройствами
Системная магистраль (шина)

Микропроцессор
Ядром ПЭВМ является центральный микропроцессор, который выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков в многозадачном режиме.
Конструктивно МП, как правило, выполнен на одном кристалле (на одной СБИС).
В его составе:
Центральный процессор (АЛУ + УУ)
Арифметический сопроцессор
Кэш-память (регистрового типа)
Схемы управления системной шиной

ВНУТРЕННЯЯ ПАМЯТЬ ПЭВМ
Внутренняя память ПЭВМ состоит из оперативной памяти (ОП) и постоянной памяти (ПП).
Постоянная память является энергонезависимой, используется для хранения системных программ, в частности, так называемой базовой системы ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System), вспомогательных программ и т.п. Программы, хранящиеся в ПП, предназначены для постоянного использования их микропроцессором.
Оперативная память является энергозависимой. В оперативной памяти хранятся исполняемые машинные программы, исходные и промежуточные данные, результаты обработки информации.

Сегментация оперативной памяти
Сегментация ОП ПЭВМ является средством управления пространством логических адресов.
Сегментированная память представляет собой набор блоков (сегментов), характеризуемых определенными атрибутами, такими, как
расположение,
размер,
тип (стек, программа, данные),
класс защиты памяти (от 0 до 3).

Защита оперативной памяти от несанкционированного доступа
Осуществляется с помощью системы привилегий, регулирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности. Защищенность определяется уровнем привилегии, требуемым для доступа к сегменту.
Наиболее защищенная область памяти отведена под ядро операционной системы имеет уровень привилегии 0.
При обращении программы к сегментам программ или данных в защищенном режиме происходит проверка уровня привилегии и в случае, если этот уровень недостаточен, происходит прерывание.

Расположение сегментов оперативной памяти ПЭВМ
Прикладные программы + данные
OS (Real time)
Ядро ОС
.

ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ПЭВМ:
ленточные, дисковые (магнитные, оптические), флэш-память – все это энергонезависимые устройства.
На дисковый носитель информация записывается на концентрические окружности (дорожки). Диск разбит на части – сектора (512 Б).
Цилиндр – совокупность дорожек, находящихся на одном расстоянии от центра двустороннего диска (или пакета дисков – винчестер)

Обмен данными между оперативной памятью и диском осуществляется только последовательностью кластеров.
Область памяти, выделяемая файлу на диске, кратна определенному количеству кластеров, которые не обязательно являются смежными и могут быть разбросаны по всему диску (диск будет фрагментирован)
Кластер состоит из одного или нескольких смежных секторов.
Кластер – минимальная единица размещения данных на диске

Флеш‐память (Flash-Memory)
Это разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.
Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов).
Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RV.
Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жестких дисков, более надежна и компактна.
Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению Флеш‐память широко используется в различных цифровых портативных устройствах.

USB флеш накопители
Также в последнее время широкое распространение получили USB флеш накопители («флешка», USB‐драйв, USB‐диск), практически вытеснившие дискеты и CD. Одним из первых флэшки в 2002 году начал выпускать тайваньский концерн Transcend.
К настоящему времени основным недостатком, не позволяющим устройствам на базе флеш‐памяти вытеснить с рынка жёсткие диски, является высокое соотношение цена/объем, превышающее этот параметр у жестких дисков в 2‑3 раза.

Логический диск
Любой диск имеет физический и логический формат.
Физический формат диска определяет размер сектора (в байтах), число секторов на дорожке (или — для жестких дисков — в цилиндре), число дорожек (цилиндров) и число сторон.
Логический формат диска задает способ организации информации на диске и фиксирует размещение информации различных типов.
Логический диск или том — часть долговременной памяти, рассматриваемая как единое целое для удобства работы. Термин «логический диск» используется в противоположность «физическому диску», под которым рассматривается память одного конкретного носителя информации

Таблица расположения файлов (File Allocation Table - FAT)
Для выполнения файловых операций ОС отслеживает распределение пространства диска между файлами с помощью таблицы FAT.
Для каждого файла в FAT создается цепочка элементов, указывающая кластеры, занимаемые файлом на диске.
В каталоге, содержащем имя файла, есть указатель к началу цепочки – точка входа в FAT .
При удалении файла элементы FAT и соответствующие им кластеры освобождаются.
Для повышения быстродействия FAT копируются в оперативную память ПЭВМ.

Каждому кластеру диска ставится в соответствие элемент FAT с тем же номером.
Каждый элемент FAT представляет собой код из 16-ти или 32-х бит
FAT 16 (16 бит, N = 65536 кластеров)
FAT 32 (32 бит, N = 655362 кластеров)
1
2
3
4
5
N

РАЗМЕР КЛАСТЕРА В FAT

Фрагментация диска
Размеры кластера определяются используемой файловой системой в зависимости от размеров диска.
Использование кластеров больших размеров уменьшает фрагментированность диска и уменьшают размер FAT, что увеличивает быстродействие.
Слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использованию памяти, особенно при наличии большого числа файлов небольшого размера.
Файловая система NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт, неким же стандартом считается кластер размером 4 Кбайт.

NTFS (New Technol File System)
Стандартная файловая система для семейства операционных систем MS Windows.
Использует специализированные структуры данных для хранения информации о файлах для улучшения производительности, надёжности и эффективности использования дискового пространства. NTFS хранит информацию о файлах в Master File Table (MTF).
MFT (Master File Table) — главная файловая таблица (база данных), в которой хранится информация о содержимом тома NTFS, представляющая собой таблицу, строки которой соответствуют файлам тома, а столбцы — атрибутам файлов).
NTFS имеет встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и групп пользователей, а также назначать квоты (ограничения на максимальный объём дискового пространства, занимаемый теми или иными пользователями). NTFS использует систему журналирования для повышения надёжности файловой системы.

ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ПЭВМ
Каждая модель ПЭВМ имеет так называемый базовый набор внешних устройств — клавиатуру, дисплей, НЖМД, ручной манипулятор.
Пользователь, как правило, подбирает нужное печатающее устройство: лазерный принтер, струйный принтер, графопостроитель (плоттер).

МП с архитектурой RISC
RISC ( Reducted Instruction Set Computer — «компьютер с сокращенной системой команд»).
В этих МП применяется сокращенный набор наиболее часто употребимых команд. Все команды имеют одинаковый формат; большинство команд — трехадресные; большое количество внутренних регистров МП, позволяющее резко сократить число обращений к ОП, а следовательно, уменьшить время машинного цикла; конвейеризация выполнения команд; наличие кэш-памяти.
Ограниченный набор команд сравнительно простой структуры упрощает аппаратуру.
При одной и той же тактовой частоте ПЭВМ RISC-архитектуры имеют производительность в 2 — 4 раза выше, чем ПЭВМ на базе МП Intel.