Запуск компьютера: роль BIOS в оперативной и постоянной памяти

Программа по запуску компьютера, известная как BIOS, хранится в постоянной запоминающей памяти (ПЗУ). BIOS выполняет начальную настройку аппаратного обеспечения и инициализирует загрузку операционной системы.

Оперативная память (ОЗУ) используется для временного хранения данных и программ во время работы компьютера, однако BIOS сам по себе загружается из ПЗУ при включении системы. Алгоритмы, коды и параметры настройки BIOS обеспечивают функционирование компьютера на начальном этапе.

Устройство центрального процессора

Центральный процессор (ЦП, от англ. Central Processing Unit) – это ключевой элемент компьютера, который осуществляет выполнение арифметических и логических операций по заданным программам, управляет вычислительными процессами и координирует взаимодействие всех аппаратных компонентов системы.

В общем случае центральный процессор включает в себя:

· Шины данных и адресные шины;

· Кэш – очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

· Копроцессор для вычислений с числами с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров (МП). Физически микропроцессор представляет собой интегральную систему – схему тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадь. Всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

2.1. Компоновка микропроцессора

Микропроцессор состоит из двух основных компонентов:

1. Операционной, включающей устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ).

2. Интерфейсной, содержащей память, регистры общего назначения (РОН), специальные регистры, порты ввода-вывода, а также схемы для управления шинами и портами.

А). УУ предназначено для выработки сигналов управления, поступающих по кодовым шинам инструкций (КШИ) во все блоки ЭВМ. В свою очередь УУ состоит из отдельных функциональных элементов:

ПЗУ – это устройство для постоянного хранения микропрограмм;

ДО – это дешифратор команд;

УФА – узел формирования адреса;

РК – это командный регистратор;

КША – кодовая шина адреса;

КШУ обозначает кодовую шину управления.

Схема структуры УУ представлена на рисунке 6.6.

Команда управления

Память команды, используемая в ПЗУ

От тактового МП

генератор ДО УФА

Код процедуры Местоположение операндов

Рис. 6.6. Структурная схема устройства управления

Принцип действия УУ заключается в следующем:

1. Сигнал управления поступает через шину КШУ и в регистре команд РК определяет код операции управления, а также часть адреса куда отправлена будет команда управления.

2. Дешифратор ДО, основываясь на коде операции, извлекает из ПЗУ микропрограмму, содержащую требуемую последовательность управляющих импульсов, которые передает на КШИ, тем самым формируя управление (инструкцию).

3. Параллельно с этим узел УФА рассчитывает полный адрес ячейки памяти, принимая данные из РК и Памяти МП, после чего отправляет адрес команды по шине КША.

Все эти операции происходит синхронно с импульсами тактового генератора и, в зависимости от команды управления, могут занимать по времени несколько импульсов тактового генератора.

Б). АЛУ служит для осуществления арифметических и логических преобразований данных.

Состоит АЛУ из регистров Р1с разрядностью двойного слова и Р2 с разрядностью слова, схемы управления (СУ), сумматора и двух шин: кодовой шины инструкций (КШИ), кодовой шины данных (КШД). Структурная схема АЛУ приведена на рис.6.7.

Р1 – запись первого числа

Р2 – запись второго СУ

Рис. 6.7. Структурная схема АЛУ

АЛУ осуществляет все арифметические операции исключительно с целыми числами. Операции с дробями или числами с плавающей запятой выполняются с помощью специализированных программ.

Алгоритм работы АЛУ следующий:

1. Согласно указаниям, полученным от КШИ через СУ, в регистр Р1 (первое слово) передается код первого числа из КШД, который загружается в сумматор.

2. Затем следующая команда от СУ загрузит код второго числа из КШД в регистр Р2 и отправит его в сумматор.

3. По команде СУ произойдет сложение двух чисел в сумматоре, результат которого будет отправлен в регистр Р1 (его второе слово).

4. По указанию системы управления результат операции сложения может быть передан в контрольный шкаф диспетчера.

Все операции алгоритма работы выполняются по командам СУ, принимающей инструкции (команды) от КШИ.

Компонент интерфейса МП.

Память интерфейса отличается небольшими размерами, но высокой скоростью работы: время доступа к ней составляет всего несколько наносекунд, что соответствует тысячным долям секунды. Она используется для временного хранения, записи и передачи данных. Эта память включает в себя высокоскоростные регистры с разрядностью, как минимум равной машинному слову. Регистры памяти классифицируются на общие и специализированные:

Регистры общего назначения (РОН) – предназначены для хранения любой информации и могут быть использованы при выполнении ряда процедур.

Специальные регистры (СР) предназначены для сохранения адресов и различных атрибутов выполнения инструкций, таких как: переполнение, перенос знака и так далее.

Порты ввода – вывода — это устройства обмена информацией с внешними устройствами. Каждый порт имеет свой адрес, соответствующий ячейкам памяти устройства, а не памяти МП. Сам порт имеет два регистра памяти (регистр адреса и регистр данных) и аппаратуру сопряжения.

Система управления шинами и портами – устанавливает связь с портами системной шины, адресной шины, шины команд, шины данных и т.д. Процесс управления проходит по следующему алгоритму:

1. Отправляется команда уведомления устройству, подключенному к порту.

2. Посылается адрес порта.

3. Идёт процесс отзыва порта.

4. Идет обмен данными или информацией через порт.

Устройства памяти.

Оперативная память играет ключевую роль в работе любого компьютера и существенно влияет на его производительность. Если раньше основным параметром памяти считался лишь объем, то в настоящее время Важными становятся её пропускная способность и задержка (латентность).

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов, в которых содержатся биты информации, объединенные в группы по 8 битов, которые называют байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут собираться в единицы, именуемые словами. У каждого компьютера имеется своя стандартная длина слова – два, четыре или восемь байтов. Это не препятствует применению ячеек памяти различных размеров (например, половина слова, двойное слово).

Как правило, в одном машинном слове может быть предоставлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.

Схема распределения памяти на слова для компьютеров с четырёхбайтовой архитектурой представлена в таблице 6.2.

Таблица 6.2. Схема распределения памяти.

Широко используются и более крупные производительные единицы объема памяти: килобайт, мегабайт, гигабайт, а также, в последнее время, терабайт и петабайт.

Сегодняшние компьютеры обладают широким спектром различных устройств для хранения данных, которые значительно отличаются друг от друга по предназначению, временным характеристикам, количеству хранимой информации и стоимости хранения одинакового объема данных.

Различают два основных вида памяти – внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память включает в себя оперативную память, кэш-память и специализированную память.

Оперативная память

Оперативная память — оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объема, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память произвольного доступа RAM эволюционирует уже на протяжении значительного времени, и на сегодняшний день выделяются две ключевые категории – статическая (Static RAM, или SRAM) и динамическая (Dynamic RAM, или DRAM). Основное различие между ними заключается в методе сохранения данных. Динамическая память нуждается в регулярном обновлении сохраненной информации с интервалом, составляющим порядка десятков миллисекунд.

При этом она проста и дешева в производстве. Статическая память, наоборот, достаточно дорога за счет более сложного устройства ячеек. Поэтому SRAM не получила большого распространения в модулях оперативной памяти, зато активно применяется в процессорах в качестве кэша второго уровня. Подавляющее же большинство компьютеров оснащается динамической памяти.

Одним из ранних видов DRAM, известным как EDO RAM, использовался асинхронный режим обращения. Это означало, что процессор при извлечении данных останавливал свою работу, что вызывало значительное снижение производительности.

Однако несколько лет назад был представлен новый тип динамической памяти – SDRAM (Synchronous DRAM), который быстро стал популярным и остается наиболее распространенным до сих пор.

Память SDRAM представляет собой набор элементарных ячеек, в каждой из которых может быть записан 1 бит информации. Они объединяются в матрицы, по номерам строк и столбцов, относительно которых производится адресация.

Модули SDRAM (см. рис. 6.9) оснащены 64-битной шиной данных и функционируют на частотах 100 и 133 МГц. Это означает, что скорость передачи данных в памяти SDRAM достигает 800 и 1067 Мб/с соответственно.

Рис. 6.9. Внешний вид модулей SDRAM.

Оперативная память предназначена исключительно для временного хранения данных и программного обеспечения. Объем оперативной памяти обычно варьируется от 64 до 512 Мбайт, при этом для нормальной работы современных программ рекомендуется иметь минимум 128 Мбайт. Оперативная память в основном основана на интегральных микросхемах типа DRAM (Dynamic RAM – динамическая оперативная память). Микросхемы DRAM, хоть и работают медленнее, чем другие типы памяти, обладают более доступной ценой.

Каждый бит информации в DRAM сохраняется в виде электрического заряда, хранящегося в небольшом конденсаторе, созданном в структуре полупроводникового кристалла. Из-за утечек тока такие конденсаторы быстро разряжаются, поэтому их нужно периодически подзаряжать специальными устройствами (примерно каждые 2 миллисекунды). Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory).

Современные микросхемы имеют емкость 1 –16 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Наиболее популярными являются модули SIMM (Single In-Line Memory Module – модуль памяти с однорядным расположением микросхем). Эти SIMM могут иметь различные разъемы с разным количеством контактов.

Кэш -пАМЯТЬ

Кэш (от английского слова cache — укрытие), или сверхоперативная память, представляет собой очень быстрое запоминающее устройство небольшого объёма, недоступное для пользователя. Оно применяется для обмена данными между микропроцессором и оперативной памятью, позволяя компенсировать разницу в скорости обработки данных между процессором и чуть менее быстрой оперативной памятью. Наилучший объём кэша определяется в зависимости от объёма оперативной памяти. Отсутствие кэша может значительно (на 20-30%) ухудшить общую производительность компьютера.

Управление кэш-памятью осуществляется специальным устройством — контроллером, который, анализируя выполняемую программу, старается предсказать, какие данные и команды окажутся в наибольшей степени необходимыми для процессора в ближайшее время, и подгружает их в кэш. В процессе могут происходить как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть когда необходимые данные уже загружены в кэш, их извлечение происходит мгновенно. Если же нужной информации в кэше нет, процессор обращается к оперативной памяти. Пропорция между количеством попаданий и промахов определяет степень эффективности кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM.

В современных микропроцессорах присутствует кэш-память, известный как кэш первого уровня, размер которого колеблется от 8 до 16 Кбайт. На материнской плате компьютера может находиться кэш второго уровня с ёмкостью от 64 Кбайт до 256 Кбайт и более.

3.2. Специальная память

К разновидностям специализированной памяти относят постоянную память (ROM), перепрограммируемую постоянную память (Flash Memory), память CMOS RAM, работающую от батареи, видеопамять и несколько других типов памяти.

Постоянная память (ПЗУ, на английском обозначаемая как ROM, что расшифровывается как Read Only Memory — память только для чтения) представляет собой энергонезависимый тип памяти, предназначенный для хранения данных, которые не подлежат изменению. Информация в этой памяти программируется специальным образом во время производства устройства для ее долговременного хранения. Чтение данных из ПЗУ возможно, но запись новых не осуществляется.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

В первую очередь в энергонезависимую память загружается программное обеспечение, которое регулирует функционирование процессора. В программируемом запоминающем устройстве (ПЗУ) располагаются программы, отвечающие за управление дисплеем, клавиатурой, принтером, внешними накопителями, а также программы, предназначенные для запуска и завершения работы компьютера, а также для проверки исправности устройств.

Микросхема постоянной или Flash-памяти является модуль

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) представляет собой набор программ, который выполняет следующие функции:

• проведение автоматического тестирования компонентов компьютера после его запуска;
• инициацию загрузки операционной системы в оперативную память.

BIOS выполняет двойную функцию: с одной стороны, он является неотъемлемой частью аппаратного обеспечения (Hardware), а с другой — важным компонентом программного обеспечения (Software).

Разновидность постоянного ЗУ может быть и модуль CMOS RAM,см.рис.6.10.

CMOS RAM представляет собой память с низкой скоростью и экономичным потреблением энергии от аккумулятора. Она предназначена для хранения данных о настройках и характеристиках компьютерного оборудования, а также о его рабочих режимах.

Рис. 6.10. Интегральные схемы BIOS и CMOS

Изменения в содержимом CMOS осуществляются с помощью программы Setup, которая располагается в BIOS.

Графическая информация сохраняется в видеопамяти.

Видеопамять (VRAM) является разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Добавлено: 18 марта 2021 года; количество просмотров: 521;

Тест по теме «Архитектура компьютера» для 10 класса

Тест по теме «Архитектура компьютера» для 10 класса. Необходимо выбрать один правильный ответ. В тесте 16 вопросов с ответами.

Тема: 2.5. Персональный компьютер и его конфигурация

Колтакова Ирина Павловна

Содержимое разработки

Тест по теме «Строение компьютера» для 10 класса

1. Строение компьютера — это:A) техническое описание компонентов компьютерных устройств; B) описание деталей устройств для ввода или вывода данных; C) описание программ для функционирования компьютера; D) описание устройства и его принципов работы, достаточное для понимания пользователем.
2. Что такое микропроцессор? A) интегральная схема, которая принимает команды на вход и выполняет вычисления, управляя работой устройства; B) устройство, ответственное за хранение часто используемой информации; C) устройство для отображения текстов или графических материалов; D) устройство для ввода алфавитно-цифровых данных.
3. Подключение различных периферийных устройств к шине на физическом уровне возможно:A) при помощи драйвера; B) при помощи контроллера;C) без дополнительных устройств; D) с помощью утилиты.
4. Внешняя память необходима для:A) хранения информации, которая часто изменяется в процессе выполнения задачи; B) долговременного хранения данных после отключения компьютера;C) обработки актуальной информации; D) постоянного хранения сведений о функционировании компьютера.
5. Для создания сложных чертежей в системах автоматизированного проектирования используются:A) плоттер; B) графический планшет (дигитайзер);C) сканер; D) джойстик.
6. К устройствам для хранения информации относятся:A) принтер; B) процессор; C) ПЗУ; D) ВЗУ.
7. Какой из перечисленных элементов не является программным обеспечением? A) системное программирование; B) драйвер; C) процессор; D) текстовые и графические редакторы.
8. Что представляет собой файл? A) набор данных для решения задачи; B) именованная область на диске или другом носителе информации; C) программа на языке программирования для выполнения задачи; D) правильного ответа нет.
9. В каком файле может быть сохранен изображение? A) TEST.EXE; B) ZADAN.TXT; C) COMMAND.COM; D) CREML.BMP.
10. Могут ли два каталога 2-го уровня иметь одинаковые названия? A) Нет; B) да; C) да, если они находятся в разных каталогах 1-го уровня; D) затрудняюсь ответить.
11. Какой компонент является обязательным для операционной системы? A) оперативная память; B) командный процессор; C) центральный процессор; D) файл конфигурации системы.
12. Какие системы счисления используются в вычислительных машинах: A) римские и арабские; B) двоичные и десятичные; C) двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная; D) целые и дробные.
13. Какие системы счисления не применяются специалистами для взаимодействия с ЭВМ? A) десятичная; B) троичная; C) двоичная; D) шестнадцатеричная.
14. Почему в вычислительных машинах применяется двоичная система счисления? A) потому что компоненты техники способны надежно хранить и распознавать лишь два состояния; B) потому что единицей измерения информации является 1 байт; C) потому что ЭВМ умеет считать только до двух; D) потому что человеку проще взаимодействовать с компьютером на двоичном уровне.
15. Программа, отвечающая за запуск компьютера, BIOS, располагается в: A) ОЗУ; B) ПЗУ; C) АЛУ; D) УУ.
16. Из каких двух компонентов состоит центральный процессор? A) Оперативная и Вспомогательная память; B) Постоянная и Оперативная память; C) Аритметико-логическое устройство и Управляющее устройство; D) Носитель информации и Солнечная батарея.

Ключ:

-80%

Программа по запуску компьютера bios находится в озу пзу алу уу

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство)

В ПЗУ данные остаются постоянными.

Запись в ПЗУ обычно осуществляется электрическим или механическим способом, в процессе изготовления материнской карты. Эти данные, как правило, не могут быть изменены, выполняемые не ПК программы могут их только считывать В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

Ее обычно упоминают как ROM (память только для чтения). В такой постоянной памяти содержатся программы, отвечающие за проверку аппаратного обеспечения компьютера, запуск операционной системы и выполнение основных функций по обслуживанию устройств ПК. Наполнение постоянной памяти часто обозначается как BIOS (базовая система ввода/вывода).

BIOS представляет собой систему мониторинга и управления устройствами, подключенными к компьютеру (жесткие диски, оперативная память, встроенные часы и календарь). Это элемент программного обеспечения ПК, который обеспечивает взаимодействие с внешними устройствами, управляет графическими операциями, проводит диагностику, осуществляет начальную загрузку и установку ОС. BIOS располагается на материнской плате (это отдельная микросхема с независимым источником питания от батареи).

На сегодняшних ПК BIOS можно перезаписывать.BIOS сегодня может сам определять новые устройства, подключённые к ПК (стандарт PnP — Plug-And-Play) включи и работай.

Контроль за устройствами ведется с помощью системы прерываний.

Прерывания могут быть:

· аппаратные (возникают из-за аппаратных компонентов);

· логические (инициируются микропроцессором — необычные обстоятельства в функционировании микропроцессора);

· программные (инициируются каким-либо программным обеспечением).

Когда компьютер включается, автоматически инициируется и выполняется специальная программа POST (Power-On Self-Test), входящая в состав BIOS.

Эта программа производит самопроверку и тестирование при загрузке:

· анализ состояния переключателей и памяти CMOS на материнской плате (идентификация устройств, подключённых к компьютеру);

· осуществление процедур для загрузки операционной системы (перенос в оперативную память и инициализация загрузочного блока ОС);

· выполняет другие специфические действия по подготовке ПК и дополнительного оборудования к работе.

BIOS

Представляет собой уникальную программную среду, находящуюся на самом низком уровне и обеспечивающую доступ к аппаратным компонентам компьютера с помощью механизма прерываний.

CMOS-память — ПЗУ (с возможностью модификации), где содержится некоторая настроченная информация по конфигурации ДАННОГО ПК и некоторого дополнительного оборудования. Обладает низким электропотреблением. Питается от аккуммуляторной батарейки.

Для доступа к редактированию CMOS-памяти обычно нужно нажать клавишу DELETE (DEL) на клавиатуре сразу после включения компьютера, в ходе выполнения программы POST (загрузка программы Setup).

· данные, полученные в ходе диагностики программы POST,

· информация по наличию и типу FDD,

· данные о наличии и разновидности HDD,

· наличие дополнительного оборудования.