Техническое обслуживание средств вычислительной техники

Режим

X_t

0

1

0

l

0

1

1

0

Хранение

Инверсия

По таблице переходов можно получить логическую функцию, реализуемую Т-триггером:

(3.7)

Нетрудно видеть, что зависимость (3.7) очень похожа на функцию (3.2), выведенную для одноразрядного комбинационного полусумматора. На рис. 3.11, а показано, как двухтактный RS-триггер преобразуется в Т-триггер.

Наиболее сложным типом триггера является JK-тригтер. Он, по существу, является объединением двухтактного RS- и Т-триггеров. Этому соответствует его таблица переходов (табл.3.8).

Таблица 3.8. Таблица переходов JK-триггера

Входные сигналы	Состояние q	Режим
J	K	0	1
0 0 0 l	l 0 l l	0 l 0 0	1 0 l 0	Хранение Установка 0 Установка l Инверсия

Если первые три строки таблицы переходов полностью повторяют соответствующие строки табл. 3.5, то последняя строка, с запрещенной комбинацией для RS-триггера, соответствует режиму переключения Т-триггера (см. табл.3.7). Схема JK-триггера изображена на рис. 3.12.



Рис. 3.12. JK-триггер: а - функциональная схема; б - условное обозначение

D-триггер обычно строится на основе двухтактного RS- или JK-тригера. Он предназначается для хранения состояния (1 или 0) на один период тактовых импульсов (с задержкой на 1 такт). Таблица его переходов отражена в табл. 3.9. На рис.3.13, а и б представлены варианты его построения, а на рис.3.13, в - его условное обозначение.

Таблица 3.9. Таблица переходов D-триггера

Входные сигналы	Состояния q	Режим
D	0	l
0 l	0 1	0 1	Установка 0 Установка l

Рис. 3.13. D-триггер: a- функциональная схема на основе RS-триггера; б- функциональная схема на основе JK-триггера; в - условное обозначение

Все перечисленные элементы памяти позволяют хранить одну единицу информации - бит или одну двоичную цифру.

При построении ЭВМ широко используются функциональные схемы, обеспечивающие операции хранения и преобразования информации над группами битов (машинными словами). Такие сложные схемы называются узлами. К типовым узлам относят: регистры, счетчики, сумматоры. Все они также принадлежат к регулярным структурам, состоящим из одинаковых параллельно работающих одноразрядных схем.

Регистром называется узел, предназначенный для приема, временного хранения и выдачи машинного слова. Регистры могут также использоваться для некоторых операций преобразования данных: для сдвига кода числа (слова) на определенное число разрядов влево или вправо, для преобразования последовательного кода числа в параллельный и наоборот и т.д. Эти дополнительные функции регистров обеспечиваются путем усложнения схем хранения, выбора более сложных триггеров и подключения дополнительных логических схем на их входах и выходах.

Таким образом, регистры представляют собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове, и вспомогательных схем, обеспечивающих выполнение различных операций над словом.

На рис.3.14 показана функциональная схема n-разрядного регистра, построенного на RS-триггерах. Информация в регистр записывается под действием сигнала "Запись". Предварительно перед установкой кода на регистр обычно на все разряды R подается сигнал сброса. На рисунке показано, что подключение к входам R дополнительных инверторов позволяет избежать этой предварительной операции. Здесь на вход каждого разряда поступает парафазный код двоичной цифры (x_i - на вход S_i и х_i - на вход R_i),т.е. прямое и инверсное значения кода подаются в противофазе.

На рис.3.15 изображена функциональная схема того же регистра, дополненная логическими элементами для преобразования хранящегося на регистре кода. По сигналу "Прямой код" с регистра считывается прямой код хранящихся данных, а по сигналу "Обратный код" - инверсное значение каждого разряда слова. Если оба эти сигнала поступают одновременно, то считывается парафазный код хранящейся информации. Более сложная логика на входе и выходе запоминающих элементов позволяет строить сдвигающие регистры.

Рис. 3.14. Схема регистра на RS-триггерах: а - функциональная схема; б - условное обозначение регистра

Рис. 3.15. Схема выдачи информации из регистра

Счетчик - узел ЭВМ, позволяющий осуществлять подсчет поступающих на его вход сигналов и фиксацию результата в виде многоразрядного двоичного числа. Счетчик, состоящий из n-триггеров, дает возможность подсчитывать до N сигналов, связанных зависимостью:

n = log2 NилиN = 2".

В ЭВМ счетчики используются для подсчета импульсов, сдвигов, формирования адресов и т.д. Функционально различают суммирующие, вычитающие, реверсивные счетчики. Они также отличаются друг от друга логикой работы дополнительных логических элементов, подключаемых к триггерам.

В основу построения любого счетчика положено свойство Т-триггеров изменять свое состояние при подаче очередного сигнала на счетный вход Т. На рис.3.16 показана схема трех разрядов суммирующего счетчика, построенного на Т-триггерах. Логика его работы представлена в табл. 3.10.

Таблица 3.10. Таблица переходов трехразрядного счетчика

Вход х	Состояние
	000	001	010	011	100	101	110	111	Режим
0 1	000 001	001 010	010 011	011 100	100 101	101 110	110 111	111 000	Хранение Счет

Рис. 3.16. Организация счетчика на Т-триггерах: а - функциональная схема; б - временная диаграмма

3.4 Запоминающие устройства ЭВМ

Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации.

Запоминающие устройства делятся на:

? основную память,

? сверхоперативную память (СОЗУ)

? внешние запоминающие устройства.

Основная память включает в себя два типа устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ОЗУ предназначено для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения, хранения.

ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, например стандартные программы и константы. Эта информация заносится в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ. Основными операциями, которые может выполнять ПЗУ, являются чтение и хранение.

Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ Но ПЗУ сохраняет информацию при отключении питания (т.е. является энергонезависимой памятью) и может иметь более высокое быстродействие, так как ограниченность функциональных возможностей ПЗУ и его специализация на чтении и хранении позволяют сократить время выполнения реализуемых им операций считывания.

Основной составной частью микросхемы является массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицу накопителя.

Каждый элемент памяти может хранить 1 бит информации и имеет свой адрес. ЗУ, позволяющие обращаться по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называются запоминающими устройствами с произвольным доступом.

При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП, в связи с чем адрес делится на две части (две координаты) - Х и Y. На пересечении этих координат находится элемент памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена.

ОЗУ связано с остальным микропроцессорным комплектом ЭВМ через системную магистраль (рис.).

Структурная схема ОЗУ

По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.

По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее.

По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти (поскольку данные передаются машинными словами, а один ЭП может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из n матриц ЭП, где n - количество разрядов в машинном слове). Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить от, то емкость памяти (т.е. количество элементов памяти, имеющих уникальные адреса) определяется как 2m

Память типа DRAM

Динамическая оперативная память (Dynamic RAM -- DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти современных ПК. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно.

Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Ячейка память должна постоянно регенерироваться, так как в противном случае электрические заряды в конденсаторах памяти будут “стекать”, и данные будут потеряны. Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Большинство систем имеет контроллер памяти, который настроен на частоту регенерации, равную15мкс.

В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. Транзистор для каждого однозарядного регистра DRAM использует для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1; если заряда нет - записан 0. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, вот почему память должна постоянно регенерироваться.

Память типа SRAM

Статическая оперативная память (Static RAM -- SRAM). Для сохранения ее содержимого не требуется периодической регенерации и SRAM имеет более высокое быстродействие чем DRAM.

Время доступа SRAM не более 2 нс; это означает, что такая память может работать синхронно с процессорами на частоте 500 МГц или выше. Однако для хранения каждого бита в конструкции SRAM используется кластер из шести транзисторов. Использование транзисторов без каких-либо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации. Пока подается питание, SRAM будет помнить то, что сохранено. По сравнению с DRAM быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее гораздо ниже, а цена довольно высока. Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше.

Основными характеристиками ОЗУ являются объем и быстродействие.

На производительность ЭВМ влияет не только время доступа, но и такие параметры, как тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали. Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемые процессором за единицу времени. Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить процессор, и тем больше его производительность. Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды.

Сверхоперативные ЗУ используются для хранения небольших объемов формации и имеют значительно меньшее время (в 2 - 10 раз) считывания/запииси, чем основная память. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах.

Регистр представляет собой электронное устройство, способное хранить несенное в него число неограниченно долго (при включенном питании). Наиболее распространение получили регистры на статических триггерах.

По назначению регистры делятся на регистры хранения и регистры сдвига. Информация в регистры может заноситься и считываться либо параллельно, азу всеми разрядами, либо последовательно, через один из крайних разрядов с последующим сдвигом занесенной информации.

Сдвиг записанной в регистр информации может производиться вправо или влево. Если регистр допускает сдвиг информации в любом направлении, он называется реверсивным.

Регистры могут быть объединены в единую структуру. Возможности такой структуры определяются способом доступа и адресации регистров.

Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом.

Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содержанию (ассоативные ЗУ).

Память магазинного типа образуется из последовательно соединенных регистров (рис. 5.2).

Если запись в регистровую структуру (рис.5.2,д) производится через один регистр, а считывание - через другой, то такая память является аналогом им задержки и работает по принципу “первым вошел - первым вышел” (FIFO - first input, first output).

Если же запись и чтение осуществляются через один и тот же регистр (рис.5.2,6), такое устройство называется стековой памятью, работающей по принципу “первым вошел -- последним вышел” (FILO - first input, last output). При записи числа в стековую память сначала содержимое стека сдвигается в сторону последнего, К-го регистра (если стек был полностью заполнен, то число из К-го регистра теряется), а затем число заносится в вершину стека -регистр 1. Чтение осуществляется тоже через вершину стека, после того как число из вершины прочитано, стек сдвигается в сторону регистра 1.

Рис.5.2. Регистровая структура магазинного типа: а - типа FIFO; б - типа FILO

Стековая память получила широкое распространение. Для ее реализации в ЭВМ разработаны специальные микросхемы. Но часто работа стековой памяти эмулируется в основной памяти ЭВМ: с помощью программ операционной системы выделяется часть памяти под стек (в IBM PC для этой цели выделяется 64 Кбайта). Специальный регистр микропроцессора (указатель стека) постоянно хранит адрес ячейки ОП, выполняющей функции вершины стека. Чтение числа всегда производится из вершины стека, после чего указатель стека изменяется и указывает на очередную ячейку стековой памяти (т.е. фактически стек остается неподвижным, а перемещается вершина стека). При записи числа в стек сначала номер ячейки в указателе стека модифицируется так, чтобы он указывал на очередную свободную ячейку, после чего производится запись числа по этому адресу. Такая работа указателя стека позволяет реализовать принцип “первым вошел - последним вышел”. В стек может быть загружен в определенной последовательности ряд данных, которые впоследствии считываются из стека уже в обратном порядке, на этом свойстве построена система арифметических преобразований информации, известная под названием “логика Лукашевича”.

Память с выборкой по содержанию является безадресной. Обращение к ней осуществляется по специальной маске, которая содержит поисковый образ. Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске. Например, если в такую память записана информация, содержащая данные о месте жительства (включая город), и необходимо найти сведения о жителях определенного города, то название этого города помещается в маску и дается команда чтение - из памяти выбираются все записи, относящиеся к заданному городу.

Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.

Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько десятков Кбайт), второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора, с объемом в сто и более Кбайт) и третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем один и больше Мбайт).

3.4 Организация безадресной и виртуальной памяти

Ассоциативная память

В памяти этого типа поиск информации происходит не по адресу, а по ее содержанию. Под содержанием информации в данном случае понимается не смысловая нагрузка лежащего на хранении в ячейке памяти слова, а содержание ЗЭ ячейки памяти, т.е. побитовый состав записанного двоичного слова. При этом ассоциативный запрос (признак) также представляет собой двоичный код с определенным побитовым составом. Поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек ЗМ и представляет собой операцию сравнения содержимого разрядов регистра признака с содержимым соответствующих разрядов ячеек памяти. Для организации такого поиска все ЗЭ ЗМ снабжены однобитовыми процессорами, поэтому в ряде случаев память такого типа рассматривают как многопроцессорную систему.

Полностью ассоциативная память большого объема является очень дорогостоящим устройством, поэтому для ее удешевления уменьшают число однобитовых процессоров до одного на ячейку памяти. В этом случае сравнение ассоциативного запроса с содержимым ячеек памяти идет последовательно для отдельных разрядов, параллельно во времени для всех ячеек ЗМ.

При очень больших объемах памяти на определенных классах задач ассоциативный поиск существенно ускоряет обработку данных и уменьшает вероятность сбоя в ЭВМ. Кроме того, ассоциативные ЗУ с блоками соответствующих комбинационных схем позволяют выполнить в памяти достаточно сложные логические операции: поиск максимального или минимального числа в массиве, поиск слов, заключенных в определенные границы, сортировку массива и т.д.

Следует отметить, что ассоциативный поиск можно реализовать и в компьютере с обычной адресной памятью, последовательно вызывая записанные в ячейки памяти слова в процессор и сравнивая их с некоторым ассоциативным признаком (шаблоном). Однако при больших объемах памяти на это будет затрачено много времени. При использовании ассоциативной памяти можно, не считывая слов из ОП в процессор, за одно обращение определить количество слов, отвечающих тому или иному ассоциативному запросу. Это позволяет в больших базах данных очень оперативно реализовать запрос типа: сколько жителей области не представило декларацию о доходах и т.п.

В некоторых специализированных ЭВМ ОП или его часть строится таким образом, что позволяет реализовать как ассоциативный, так и адресный поиск информации.

Упрощенная структурная схема ассоциативной памяти, в которой все ЗЭ ЗМ снабжены однобитовыми процессорами, приведена на рис. 4.3.



Первоначально рассмотрим операцию, называющуюся контроль ассоциации. Эта операция является общей для операции считывания и записи, а также имеет самостоятельное значение.

По входной информационной шине в РгАП поступает n-разрядный ассоциативный запрос, т.е. заполняются разряды от 0 до n-1. Одновременно в РгМ поступает код маски поиска, при этом n-й разряд РгМ устанавливается в 0. Ассоциативный поиск производится лишь для совокупности разрядов РгАП, которым соответствуют 1 в РгМ (незамаскированные разряды РгАП). Для слов, в которых цифры в разрядах совпали с незамаскированными разрядами РгАП, КС устанавливает 1 в соответствующие разряды РгСв и 0 в остальные разряды.

Комбинационная схема формирования результата ассоциативного обращения ФС формирует из слова, образовавшегося в РгСв, как минимум три сигнала:

₀ - отсутствие в ЗМ слов, удовлетворяющих ассоциативному признаку;

₁ - наличие одного такого слова;

₂ - наличие более чем одного слова.

Возможны и другие операции над содержимым РгСв, например подсчет количества единиц, т.е. подсчет слов в памяти, удовлетворяющих ассоциативному запросу, и т.п.

Формирование содержимого РгСв и ₀, ₁, ₂ по содержимому РгАП, РгМ, ЗМ и называется операцией контроля ассоциации.

Считывание. Сначала производится контроль ассоциации по признаку в РгАП.

Затем:

₀ = 1 - считывание отменяется из-за отсутствия искомой информации;

₁ = 1 - считывается в РгИ найденное слово, после чего выдается на ШИ_вых;

₂ = 1 - считывается слово, имеющее, например, наименьший номер среди ячеек, отмеченных 1 в РгСв, после чего выдается на ШИ_вых.

Запись. Сначала отыскивается свободная ячейка (полагаем, что в разряде занятости свободной ячейки записан 0). Для этого выполняется контроль ассоциации при РгАП=111...10 и РгМ=000...01, т.е. n-й разряд РгАП устанавливается в 0, а n-й разряд РгМ - в 1. При этом свободная ячейка отмечается 1 в РгСв. Для записи выбирают свободную ячейку, например, с наименьшим номером. В нее записывается слово, поступившее с ШИ_вх в РгИ.

Следует отметить, что на данной схеме не изображены блоки БУП, БУС, БУЗ, которые есть в реальных устройствах. Кроме того, для построения ассоциативной памяти требуются запоминающие элементы, допускающие считывание без разрушения.

Стековая память (магазинная). Стековая память, так же как и ассоциативная, является безадресной. Стековая память может быть организована как аппаратно, так и на обычном массиве адресной памяти.

В случае аппаратной реализации ячейки стековой памяти образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов (рис. 4.4). При этом возможны два типа устройств (а, б), принципы функционирования которых различны. Рассмотрим первоначально структуру на

Запись нового слова, поступившего с ШИ_вх, производится в верхнюю (нулевую) ячейку, при этом все ранее записанные слова (включая слово в ячейке 0) сдвигаются вниз, в соседние ячейки, номера которых на единицу больше. Считывание возможно только из верхней (нулевой) ячейки памяти. Основной режим - это считывание с удалением. При этом все остальные слова в памяти сдвигаются вверх, в соседние ячейки с меньшими номерами. В такой памяти реализуется правило: последний пришел - первый ушел. Стеки подобного типа принято называть стеками LIFO (Last In - First Out).

В ряде случаев устройства стековой памяти предусматривают также операцию простого считывания слова из ячейки 0 без его удаления и сдвига остальных слов. При использовании стека для запоминания параметров инициализации контроллеров каких-либо устройств ЭВМ обычно предусматривается возможность считывания содержимого любой ячейки стека без его удаления, т.е. считывание содержимого не только ячейки 0.

О первом слове, посылаемом в стек, говорят, что оно располагается на дне стека. О последнем посланном (по времени) в стек слове говорят, что оно находится в вершине стека. Таким образом, ячейка N-1 - дно стека, а ячейка 0 - вершина.

Обычно аппаратный стек снабжается счетчиком стека СчСт, показывающим общее количество занесенных в память слов (СчСт = 0 - стек пустой). При заполнении стека полностью он запрещает дальнейшие операции записи.

Стековый принцип организации памяти можно реализовать не только в специально предназначенных для этого устройствах. Стековая организация

данных возможна и на обычной адресной памяти с произвольным обращением (программный стек). Для организации стека LIFO в этом случае необходима еще одна ячейка памяти (регистр), в которой всегда хранится адрес вершины стека и которая называется указателем стека. Обычно в качестве указателя стека используют один из внутренних регистров процессора. Кроме этого, требуется соответствующее программное обеспечение. Принципы стековой организации данных на обычной адресной памяти иллюстрируются схемой на рис. 4.5.

В отличие от аппаратного стека данные, размещенные в программном стеке, при записи нового числа или считывании не перемещаются. Запись каждого нового слова осуществляется в ячейку памяти, следующую по порядку за той, адрес которой содержится в указателе стека. После записи нового слова содержимое указателя стека увеличивается на единицу (см. рис. 4.5). Таким образом, в программном стеке перемещаются не данные, а вершина стека. При считывании слова из стека происходит обратный процесс. Слово считывается из ячейки, адрес которой находится в указателе стека, после чего содержимое указателя стека уменьшается на единицу.

Если вновь загружаемые в стек слова размещаются в ячейках памяти с последовательно увеличивающимися адресами, стек называют прямым. Если адреса последовательно убывают, то - перевернутым. В большинстве случаев используется перевернутый стек, что связано с особенностями аппаратной реализации счетчиков внутри процессора.

Чем удобна такая форма организации памяти? Забегая вперед, можно отметить, что любая команда, выполняемая в процессоре, в общем случае должна содержать код операции (КОП), адрес первого и второго операндов и адрес занесения результата. Для экономии памяти и сокращения времени выполнения машинной команды процессором желательно уменьшить длину команды. Пределом такого уменьшения является длина безадресной команды, т.е. просто КОП. Именно такие команды оказываются возможными при стековой организации памяти, так как при правильном расположении операндов в стеке достаточно последовательно их извлекать и выполнять над ними соответствующие операции.

Помимо рассмотренной выше стековой памяти типа LIFO в ЭВМ используются стековые памяти другого типа, реализующие правило: первый пришел - первый ушел. Стеки подобного типа принято называть стеками FIFO (First In - First Out). Такая стековая память широко используется для организации различного рода очередей (команд, данных, запросов и т.д.). Обобщенная структура аппаратного стека типа FIFO представлена на рис. 4.4, б.

Как и в предыдущем случае, ячейки стековой памяти образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Запись нового слова, поступившего с ШИ_вх, осуществляется в верхнюю (нулевую) ячейку, после чего оно сразу перемещается вниз и записывается в последнюю по счету незаполненную ячейку. Если стек перед записью был пустой, слово сразу попадает в ячейку с номером N-1, т.е. на дно стека. Считывание возможно только из нижней ячейки с номером N-1 (дно стека). Основной режим - это считывание с удалением. При этом все последующие (записанные) слова сдвигаются вниз, в соседние ячейки, номера которых на единицу больше. При заполнении стека счетчик (СчСт) запрещает дальнейшие операции записи в стек.

Таким образом, в отличие от стека LIFO, в стеке FIFO перемещается не дно, а вершина. Записываемые в стек FIFO слова постепенно продвигаются от вершины ко дну, откуда и считываются по мере необходимости, причем темп записи и считывания определяются внешними управляющими сигналами и не связаны друг с другом.

Программная реализация стека FIFO в настоящем разделе не рассматривается, поскольку на практике используется достаточно редко.

Виртуальная память

Суть концепции виртуальной памяти состоит в том, что виртуальное пространство, с которым имеет дело процесс (программа), отделяется от реальных адресов вычислительной системы. Диапазон виртуальных адресов, к которым может обращаться процесс, называется виртуальным адресным пространством этого процесса, а диапазон реальных адресов называется реальным адресным пространством компьютера. Множество виртуальных адресов, как правило, значительно превосходит диапазон адресов реальной памяти. Перевод виртуального адреса в реальный адрес во время выполнения процесса называется динамическим преобразованием адресов. Адреса, смежные в V (виртуальное пространство), необязательно будут смежными в R (реальное пространство). Таким образом, пользователь освобождается от необходимости учитывать размещение своих процедур и данных в реальной памяти. Только небольшая часть кода и данных каждого процесса размещается в оперативной памяти. Остальная часть хранится во внешней памяти (диск).

Системы виртуальной памяти требуют наличия таблиц отображения виртуального адреса в реальный. Главная задача разработчиков систем - это минимизация количества информации отображения при удовлетворительных скоростных характеристиках системы. Эта цель достигается поблочным отображением: информация группируется в блоки и система следит за тем, в каких местах реальной памяти размещаются различные блоки из виртуального пространства. Блоки фиксированного размера называются страницами; блоки переменного размера называются сегментами. В некоторых системах оба вида блоков комбинируются - применяются сегменты, состоящие из целых страниц. Адреса рассматриваются как упорядоченные пары

V=(b, d),

где b - номер блока с виртуальным адресом, d - смещение адреса относительно начала блока b. Таблица отображения блоков обычно хранится в кэш-памяти.

Преобразование виртуального адреса в реальный. Реальный адрес a таблицы загружается в специальный регистр начального адреса таблицы блоков. Таблица содержит по одной строке для каждого блока процесса, причем эти строки идут в порядке возрастания номеров (блок 0, блок 1, ...). Hомер блока суммируется с адресом а, образуя реальный адрес строки таблицы для блока b. Эта строка содержит реальный адрес b' блока в реальной памяти. К b' прибавляется смещение d и образуется реальный адрес r=b'+d.



Существует два наиболее распространенных способа реализации виртуальной памяти - страничный и сегментный.

При работе машины с ВП, используются методы страничной, сегментной и сегментно-страничной организации памяти.

Виртуальная Память при страничной организации

Рассмотрим первую форму организации ВП - страничную организацию (СО). Нужно отметить очень важный пункт, что при СО, все ресурсы памяти, как оперативной, так и внешней представляются для пользователя единым целым. Пользователь работает с общим адресным пространством и не задумывается, какая память при этом используется: оперативная или внешняя, а эта общая память носит название виртуальной (моделируемой). Виртуальная память разбивается на страницы, которые содержат определённое фиксированное количество ячеек памяти. При этом одна страница математической памяти не может быть больше или меньше других все страницы должны быть одинаковы по количеству ячеек. Передача информации между памятью и диском всегда осуществляется целыми страницами. Страницы, в отличие от сегментов, имеют фиксированную длину, обычно являющуюся степенью числа 2, и не могут перекрываться. Типичные размеры страниц 256, 512, 1024, 2048 Байт и более (числа кратные 256).

На рисунке 1 изображена схема Страничной организации виртуальной памяти.



Рис.1 Страничная организация Виртуальной Памяти

Виртуальные адреса делятся на страницы (page), соответствующие единицы в физической памяти образуют страничные кадры (page frames), а в целом система поддержки страничной виртуальной памяти называется пейджингом (paging). Виртуальный адрес в страничной системе упорядоченная пара (p,d), где p - номер страницы в виртуальной памяти, а d - смещение в рамках страницы p, где размещается адресуемый элемент. Система отображения виртуальных адресов в физические сводится к системе отображения виртуальных страниц в физические и представляет собой таблицу страниц, которая адресуется при помощи специального регистра процессора и позволяет определить номер кадра по виртуальному адресу.

В большинстве современных компьютеров со страничной организацией виртуальной памяти все таблицы страниц хранятся в основной памяти, а быстрота доступа к элементам таблицы текущей виртуальной памяти достигается за счет наличия сверхбыстродействующей буферной памяти (кэша).

Преимущества и недостатки ВП со страничной организацией

Во-первых, одним из преимуществ ВП с СО является достаточно большой объём прямо адресуемой памяти. Действительно объем памяти может исчисляться сотнями мегабайт (и даже гигабайтами). Размер виртуальной памяти целиком зависит от объёма накопителя на [жестком] магнитном диске. Еще одним преимуществом ВП с СО является то, что программы пользователя могут размещаться в любых свободных страницах. И наконец, одним из важнейших преимуществ ВП с СО (то, ради чего, собственно и была изобретена виртуальная память) повышение уровня мультипрограммной работы.

Основным недостатком виртуальной памяти, пожалуй, является то количество времени, которое машина тратит на обращение к внешней памяти. Извлечь необходимую информацию из ячеек оперативной памяти не представляет особого труда и больших затрат времени. Совсем иначе обстоит дело с диском: для того чтобы найти необходимую информацию, нужно сначала "раскрутить" диск, потом найти необходимую дорожку, в дорожке найти сектор, кластер, далее считать побитовую информацию в ОП. Данный недостаток не может быть устранён никоим образом, так как понятие виртуальной памяти ассоциируется с применением внешней памяти (магнитного диска).

Следующий недостаток скорее относится к вопросу о технической характеристике компьютера: наличие сверхоперативной памяти (СОП). И, наконец, третьим недостатком является внутренняя фрагментация страниц.

Сегментная и сегментно-страничная организации памяти

Существуют две другие схемы организации виртуальной памяти: сегментная и сегментно-страничная. При использовании метода сегментно-страничной организации ВП, пользовательские программы разбиваются на отдельные массивы. Эти массивы независимые участки называются сегментами. При сегментной организации виртуальный адрес по-прежнему является двумерным и состоит из двух полей - номера сегмента и смещения внутри сегмента. Заметим, что с точки зрения ОС сегменты являются логическими сущностями и их главное назначение хранение и защита однородной информации (кода, данных и т.д.). Отличие сегмента от страницы состоит в том, что длина сегмента может изменяться в процессе работы.

Сегментно-страничная организация памяти требует более сложной аппаратурно-программной организации. На рисунке 2 подробно показан способ организации ВП с ССО. Адрес ячейки в данном случае складывается из 3х частей: первая содержит номер самого сегмента (Segment), по этому номеру машина обращается к сегментной таблице. Вторая часть адреса содержит номер искомой страницы (page), которая находится внутри выбранного сегмента и третья смещение (length), по которому находится требуемый адрес. Pµ, обведенное в двойную рамку показывает математический адрес, а Pф физический. Как и при СО, смещение l переписывается в ячейку физического адреса без изменений.

Вверху рисунка, аббревиатурой N обозначен номер какой-нибудь программы пользователя. А⁰ с индексом 1 обозначает конкретный начальный адрес сегментной таблицы для данной программы. Сначала берется этот адрес и номер сегмента S из регистра математического адреса. Оба этих адреса складываются в сумматоре, который изображен в виде обведенного плюса. Получившийся адрес А¹ + S является входом в сегментную таблицу (изображен в первой колонке сегментной таблицы). Далее, благодаря этому адресу, отыскивается соответствующий адрес страничной таблицы (А⁰ с индексом 2), который в свою очередь суммируется с номером искомой страницы p в сумматоре. Результирующая сумма есть вход в страничную таблицу. Структура страничной таблицы нам уже знакома.

сегментно-страничная организация вп

Используются две таблицы отображения - таблица сегментов, связывающая номер сегмента с таблицей страниц, и отдельная таблица страниц для каждого сегмента.

Сегментно-страничная организация виртуальной памяти позволяла совместно использовать одни и те же сегменты данных и программного кода в виртуальной памяти разных задач (для каждой виртуальной памяти существовала отдельная таблица сегментов, но для совместно используемых сегментов поддерживались общие таблицы страниц).

Размещено на Allbest.ru

...