Запоминающие устройства компьютера

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Память. Характеристики памяти

В любой ВМ, вне зависимости от ее архитектуры, данные хранятся в запоминающих устройствах (ЗУ), которые, учитывая их характеристики, место расположения и способ взаимодействия с процессором, относят к внутренней или внешней памяти. Внутренняя память располагается частично на общем кристалле с процессором (регистры и кэш-память), а частично -- на системной плате (основная память и, возможно, кэш-память 3-го и более высоких уровней). Медленные ЗУ большой емкости (твердотельные, магнитные и оптические диски, магнитные ленты) называют внешней памятью, поскольку к ВМ они подключаются аналогично устройствам ввода/вывода. Основными функциями ЗУ являются прием, хранение и выдача данных в процессе работы ВМ. Процесс приема данных, в ходе которого осуществляется их занесение в ЗУ, называется записью, процесс выдачи данных -- чтением или считыванием, а совместно их определяют как процессы обращения к ЗУ.

Перечень основных характеристик, которые необходимо учитывать, рассматривая конкретный вид ЗУ, включает в себя: емкость; единицу пересылки; метод доступа; быстродействие; физический тип; физические особенности; стоимость.

Емкость ЗУ характеризуют числом битов, либо байтов, которое одновременно может храниться в запоминающем устройстве.

Для основной памяти (ОП) единица пересылки определяется шириной шины данных, то есть количеством битов, передаваемых по линиям шины параллельно. Обычно единица пересылки равна длине слова, но не обязательно. Так, при пересылке информации между основной памятью и кэш-памятью данные передаются единицами, превышающими размер слова, и такие единицы называются блоками.

При оценке быстродействия необходимо учитывать применяемый в данном типе ЗУ метод доступа к данным. Различают четыре основных метода доступа: последовательный, прямой, произвольный и ассоциативный, из которых для внутренней памяти характерны два последних. В ЗУ с произвольным доступом ячейка имеет уникальный физический адрес. Обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может производиться в любой последовательности (произвольной очередности). Примером могут служить запоминающие устройства основной памяти. Ассоциативный доступ позволяет обращаться к ячейкам ЗУ в соответствии с признаками хранимых в них данных, он обеспечивает поиск ячеек, содержащих такую информацию, в которой значение отдельных битов совпадает с состоянием одноименных битов в заданном образце. Сравнение осуществляется параллельно для всех ячеек памяти. По ассоциативному принципу построены некоторые блоки кэш-памяти.

Быстродействие:

Время выборки данных. Оно соответствует интервалу времени между началом операции считывания и выдачей считанных данных из запоминающего устройства.

Время хранения данных -- интервал времени, в течение которого запоминающее устройство в заданном режиме сохраняет данные без регенерации.

Цикл обращения к ЗУ или период обращения (ТЦ). Им называют минимальный интервал времени между двумя последовательными доступами к данным запоминающего устройства. Период обращения включает в себя собственно время доступа плюс некоторое дополнительное время. Дополнительное время может требоваться для затухания сигналов на линиях, а в некоторых типах ЗУ, где считывание информации приводит к ее разрушению, -- для восстановления считанной информации.

Скорость передачи данных -- количество данных, считываемых (записываемых) запоминающим устройством в единицу времени.

Говоря о физическом типе запоминающего устройства, необходимо отметить, что ЗУ внутренней памяти современных вычислительных машин базируются на полупроводниковой технологии. В зависимости от примененной технологии следует учитывать и ряд физических особенностей ЗУ. Так, для полупроводниковой технологии приходится учитывать фактор энергозависимости. В энергозависимой памяти информация может быть искажена или потеряна при отключении источника питания, в то время как в энергонезависимых ЗУ записанная информация сохраняется и при отключении питающего напряжения. Полупроводниковая память может быть как энергозависимой, так и нет, в зависимости от ее типа. Помимо энергозависимости нужно учитывать, приводит ли считывание информации к ее разрушению.

Стоимость ЗУ принято оценивать отношением общей стоимости ЗУ к его емкости в битах, то есть стоимостью хранения одного бита информации.

2. Иерархическая память. Принцип локальности по обращению

Иерархия компьютерной памяти -- концепция построения взаимосвязи классов разных уровней компьютерной памяти на основе иерархической структуры.

Память часто называют «узким местом» фон-неймановских ВМ из-за ее серьезного отставания по быстродействию от процессоров, причем разрыв этот неуклонно увеличивается. Так, если производительность процессоров возрастает вдвое примерно каждые 1,5 года, то для микросхем памяти прирост быстродействия не превышает 9% в год (удвоение за 10 лет), что выражается в увеличении разрыва в быстродействии между процессором и памятью приблизительно на 50% в год. Если проанализировать используемые в настоящее время типы ЗУ, выявляется следующая закономерность:

· чем меньше время выборки, тем выше стоимость хранения бита;

· чем больше емкость, тем ниже стоимость хранения бита, но больше время выборки.

При создании системы памяти постоянно приходится решать задачу обеспечения требуемой емкости и высокого быстродействия за приемлемую цену. Наиболее распространенным подходом здесь является построение системы памяти ВМ по иерархическому принципу. Иерархическая память состоит из ЗУ различных типов, которые, в зависимости от характеристик, относят к определенному уровню иерархии. Более высокий уровень меньше по емкости, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на бит, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и т. д.

Три верхних уровня иерархии образуют внутреннюю память ВМ, а все нижние уровни -- это внешняя или вторичная память. По мере движения вниз по иерархи-ческой структуре: 1) уменьшается соотношение «стоимость/бит». 2) возрастает емкость. 3) растет время выборки. 4) уменьшается частота обращения к памяти со стороны центрального процессора.

Если память организована в соответствии с пунктами 1-3, а характер размещения в ней данных удовлетворяет пункту 4, иерархическая организация ведет к уменьшению общей стоимости при заданном уровне производительности. Справедливость этого утверждения вытекает из принципа локальности по обращению. Если рассмотреть процесс выполнения большинства программ, то можно заметить, что с очень высокой вероятностью адрес очередной команды программы либо следует непосредственно за адресом, по которому была считана текущая команда, либо расположен вблизи него. Такое расположение адресов называется пространственной локальностью программы. Обрабатываемые данные, как правило, структурированы, и такие структуры обычно хранятся в последовательности смежных ячеек памяти. Данная особенность программ называется пространственной локальностью данных. Кроме того, программы содержат множество небольших циклов и подпрограмм. Это означает, что небольшие наборы команд могут многократно повторяться в течение некоторого интервала времени, то есть имеет место временная локальность. Все три вида локальности объединяет понятие локальность по обращению. Принцип локальности часто облекают в численную форму и представляют в виде так называемого правила «90/10»: 90% времени работы программы связано с доступом к 10% адресного пространства этой программы.

При доступе к командам и исходным данным, например для их считывания, сначала производится поиск в памяти верхнего уровня. Факт обнаружения нужной информации называют попаданием (hit), в противном случае говорят о промахе (miss). При промахе производится поиск в ЗУ следующего более низкого уровня, где также возможны попадание или промах. После обнаружения необходимой информации выполняется пересылка блока, содержащего искомую информацию, с нижних уровней на верхние.

3. Основная память

Основная память (ОП) представляет собой единственный вид памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно (исключение составляют лишь регистры центрального процессора). Информация, хранящаяся на внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память. Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным доступом. Такие ЗУ образованы как массив ячеек, а «произвольный доступ» означает, что обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может производиться в произвольной последовательности. Каждая ячейка содержит фиксированное число запоминающих элементов и имеет уникальный адрес, позволяющий различать ячейки при обращении к ним для выполнения операций записи и считывания. Следствием огромных успехов в области полупроводниковых технологий стало изменение элементной базы основной памяти. На смену ЗУ на базе ферромагнитных колец пришли полупроводниковые микросхемы, использование которых в наши дни стало повсеместным 1 .

Состав: ОЗУ+ПЗУ.

Преимущественную долю основной памяти образует ОЗУ, называемое оперативным, потому что оно допускает как запись, так и считывание информации, причем обе операции выполняются однотипно, практически с одной и той же скоростью, и производятся с помощью электрических сигналов. В англоязычной литературе ОЗУ соответствует аббревиатура RAM -- Random Access Memory, то есть «память с произвольным доступом», что не совсем корректно, поскольку па мятью с произвольным доступом являются также ПЗУ и регистры процессора. Для большинства типов полупроводниковых ОЗУ характерна энергозависимость -- даже при кратковременном прерывании питания хранимая информация теряется. Микросхема ОЗУ должна быть постоянно подключена к источнику питания и поэтому может использоваться только как временная память.

Вторую группу полупроводниковых ЗУ основной памяти образуют энергонезависимые микросхемы ПЗУ (ROM - Read-Only Memory). ПЗУ обеспечивает считывание информации, но не допускает ее изменения (в ряде случаев информация в ПЗУ может быть изменена, но этот процесс сильно отличается от считывания и требует значительно большего времени)

По доступу:

1) Прямой - обмен информации между устройствами напрямую, без участия ЦП.

2) Ассоциативный - доступ ячейке памяти по поиску её содержимого среди всех ячеек. (память тегов кэша)

3) Последовательный - Память с последовательным доступом строится либо с использованием продвижения данных по цепочке элементов (по подобию с регистрами сдвига), либо с хранением данных в адресном ЗУ при соответствующем управлении адресом доступа.

4) Произвольный - доступ к любой ячейке памяти в любой момент времени.

4. Синхронные и асинхронные ЗУ. Статические и динамические ЗУ

В качестве первого критерия, по которому можно классифицировать запоминающие устройства основной памяти, рассмотрим способ синхронизации. С этих позиций известные типы ЗУ подразделяются на синхронные и асинхронные. В микросхемах, где реализован синхронный принцип, процессы чтения и записи (если это ОЗУ) выполняются одновременно с тактовыми сигналами контроллера памяти.

Асинхронный принцип предполагает, что момент начала очередного действия определяется только моментом завершения предшествующей операции. Перенося этот принцип на систему памяти, необходимо принимать во внимание, что контроллер памяти всегда работает синхронно. В асинхронных ЗУ цикл чтения начинается только при поступлении запроса от контроллера памяти, и если память не успевает выдать данные в текущем такте, контроллер может считать их только в следующем такте, поскольку очередной шаг контроллера начинается с приходом очередного тактового импульса. В последнее время асинхронная схема активно вытесняется синхронной.

Статические ЗУ: SRAM - построена на транзисторах, поэтому информация хранится сколь угодно долго при наличии напряжения. Доступ к информации осуществляется за 1 тактовый цикл процессора. Они дорогие.

Динамические ЗУ: DRAM - построена на конденсаторах, информацию требуется постоянно обновлять. Доступ к информации осуществляется за 5-10 тактовых циклов процессора. Конденсаторы надо постоянно перезаряжать.

5. ПЗУ

ПЗУ - энергонезависимая память, используемая для хранения неизменяемый данных. Работают только в режиме чтения.(read only memory). Занесение информации в ПЗУ называется программированием или прошивкой.

Программируемые при изготовлении, программируемые однократно после изготовления, многократно программируемые.

Виды:

Масочные - программируются один раз при изготовлении. Очень высокая плотность хранения данных на кристалле.

Программируемые однократно - имеют возможность однократной перезаписи данных с помощью программатора. Высокий процент брака.

Программируемые многократно - аналогично.

РПЗУ-ЭС - информация заносится побайтово. Стирание и запись производится одновременно. Программатор не нужен.

РПЗУ-УФ - более высокая плотность ЗЭ, чем у РПЗУ-ЭС при более низкой стоимости. Частичной перезаписи нет. Для исключения потери данных рекомендуется использовать кварцевое окно.

Flash - более высокая скорость. Стирание используется по блокам или полностью.

6. Кэш-память. Структура системы с основной и кэш-памятью. Характеристики кэш-памяти

память прерывание кэш алгоритм

Кэш-память - это память, используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются. Экономически приемлемое решение этой проблемы было предложено М. Уилксом в 1965 году в процессе раз работки ВМ Atlas и заключается оно в использовании двухуровневой памяти, когда между ОП и процессором размещается небольшая, но быстродействующая буферная память. В процессе работы такой системы в буферную память копируются те участки ОП, к которым производится обращение со стороны процессора. В общепринятой терминологии - производится отображение участков ОП на буферную память. Выигрыш достигается за счет ранее рассмотренного свойства локальности - если отобразить участок ОП в более быстродействующую буферную память и переадресовать на нее все обращения в пределах скопированного участка, можно добиться существенного повышения производительности ВМ.

Емкость. Выбор емкости кэш-памяти - это всегда определенный компромисс. С одной стороны, кэш-память должна быть достаточно мала, чтобы ее стоимостные показатели были близки к величине, характерной для ОП. С другой - она должна быть достаточно большой, чтобы среднее время доступа в системе, состоящей из основной и кэш-памяти, определялось временем доступа к кэш-памяти. В пользу уменьшения размера кэш-памяти имеется больше мотивировок. Так, чем вместительнее кэш-память, тем больше логических схем должно участвовать в ее адресации. Как следствие, ИМС кэш-памяти повышенной емкости работают медленнее по сравнению с микросхема ми меньшей емкости, даже если они выполнены по одной и той же технологии. Реальная эффективность использования кэш-памяти зависит от характера решаемых задач, и невозможно заранее определить, какая ее емкость будет действительно оптимальной. Рисунок 5.25, а иллюстрирует зависимость вероятности промахов от емкости кэш-памяти для трех программ А, В и С [195]. Несмотря на очевидные различия, просматривается и общая тенденция: по мере увеличения емкости кэш-памяти вероятность промахов сначала существенно снижается, но при достижении определенного значения эффект сглаживается и становится не существенным. Установлено, что для большинства задач близкой к оптимальной является кэш-память емкостью от 1 до 512 Кбайт.

2) Метод отображения. Так как количество строк Кэш памяти гораздо меньше, чем количество блоков памяти, необходимо установить соответствие между строкой КЭШ и строкой в оперативной памяти (ОП). Установление соответствие и называется функцией отображения.

· Прямое - за определенным блоком закреплена определенная строка кэш-памяти. Чем короче тэг, тем быстрее доступ. 7 разрядов тэга.

· Полностью ассоциативное - в любую строку кэша отображается любой блок ОЗУю. 14-Разрядный тэг.

· Множественно ассоциативное - кэш тэгов и данных разбивается на V модулей, в каждом K входов. Зависимость между модулями и блоками как при прямом отображении. Размещение блоков ОЗУ внутри модуля произвольное. Для поиска используется ассоциативный принцип.

3) Алгоритм замены строк в КЭШ

LRU - least recently used - заменяется строка, к которой дольше всего не обращался процессор.

LFU - least freguently used - заменяется, прежде всего, используемая строка

FIFO - first in, first out - заменяется строка, записанная в КЭШ раньше остальных

Случайный - выбирается случайным образом строка КЭШ.

Бит использования (удалять если бит =0) Признаки: U,W,Z.

4) Обеспечивание целостности информации.

Сквозная запись - все операции записи дублируются в ОП

Обратная запись - процессор вносит изменения только в свой КЭШ и информация записывается в ОП только по окончания процесса. Минимизирует количество обращений к ОП.

5) Размер блока. (2-8 слов)

6) Структурная и архитектурная организация блока.

Количество уровней в иерархии

Емкость КЭША растет по мере перехода от более верхнего уровня к более низкому

КЭШ команд

КЭШ данных

Если организуется единый массив КЭШ памяти, то упрощаются схемы контроллеров КЭШ, а при организации сегментированной организации массива, возможно параллельно обрабатывать команды и данные.

В системе с основной памятью и кэшем процессор обращается сперва в кэш, а если в нем не обнаружится нужных данных (кэш-промах), обратится в основную память.

7. Способы отображения основной памяти на кэш-память

При прямом отображении адрес строки / кэш-памяти, на которую может быть отображен блоку из ОП, однозначно определяется выражением:

i =j mod т,

где т -- общее число строк в кэш-памяти.

Полностью ассоциативное отображение позволяет преодолеть недостаток прямого разрешая загрузку любого блока ОП в любую строку кэш-памяти. Логика управления кэш-памяти выделяет в адресе ОП два поля: поле тега и поле слова. Поле тега совпадает с адресом блока основной памяти. Для проверки наличия копии блока в кэш-памяти логика управления кэша должна одновременно проверить теги всех строк на совпадение сполем тега адреса.

Множественно-ассоциативное отображение относится к группе методов частично-ассоциативного отображения. Оно является одним из возможных компромиссов, сочетающим достоинства прямого и ассоциативного способов отображения и, в известной мере, свободным от их недостатков. Кэш-память (как тегов, так и данных) разбивается на н подмножеств (в дальнейшем будем называть такие подмножества модулями), каждое из которых содержит к строк (принято говорить, что модуль имеет к входов). Зависимость между модулем и блоками ОП такая же, как и при прямом отображении: на строки, входящие в модуль i, могут быть отображены только вполне определенные блоки основной памяти, в соответствии с соотношением

i =j mod v,

где у -- адрес блока ОП. В то же время размещение блоков по строкам модуля -- произвольное, и для поиска нужной строки в пределах модуля используется ассоциативный принцип.

8. Алгоритмы замещения информации в заполненной кэш-памяти

Среди множества возможных алгоритмов замещения наиболее распространенными являются четыре, рассматриваемые в порядке уменьшения их относительной эффективности.

Наиболее эффективным является алгоритм замещения на основе наиболее давнего использования (LRU -- Least Recently Used), при котором замещается та строка кэш-памяти, к которой дольше всего не было обращения. Проводившиеся исследования показали, что алгоритм LRU, который «смотрит» назад, работает достаточно хорошо в сравнении с оптимальным алгоритмом, «смотрящим» вперед.

Наиболее известны два способа аппаратурной реализации этого алгоритма.

В первом из них с каждой строкой кэш-памяти ассоциируют счетчик. К содержимому всех счетчиков через определенные интервалы времени добавляется единица. При обращении к строке ее счетчик обнуляется. Таким образом, наибольшее число будет в счетчике той строки, к которой дольше всего не было обращений, и эта строка -- первый кандидат на замещение.

Второй способ реализуется с помощью очереди, куда в порядке заполнения строк кэш-памяти заносятся ссылки на эти строки. При каждом обращении к строке ссылка на нее перемещается в конец очереди. В итоге первой в очереди каждый раз оказывается ссылка на строку, к которой дольше всего не было обращений. Именно эта строка, прежде всего, и заменяется.

Другой возможный алгоритм замещения -- алгоритм, работающий по принципу «первый вошел, первый вышел» (FIFO -- First In First Out). Здесь заменяется строка, дольше всего находившаяся в кэш-памяти. Алгоритм легко реализуется с помощью рассмотренной ранее очереди, с той лишь разницей, что после обращения к строке положение соответствующей ссылки в очереди не меняется.

Еще один алгоритм -- замена наименее часто использовавшейся строки (LFU -- Least Frequently Used). Заменяется та строка в кэш-памяти, к которой было меньше всего обращений. Принцип можно воплотить на практике, связав каждую строку со счетчиком обращений, к содержимому которого после каждого обращения добавляется единица. Главным претендентом на замещение является строка, счетчик которой содержит наименьшее число.

Простейший алгоритм -- произвольный выбор строки для замены. Замещаемая строка выбирается случайным образом. Реализовано это может быть, например, с помощью счетчика, содержимое которого увеличивается на единицу с каждым тактовым импульсом, вне зависимости от того, имело место попадание или про­мах; Значение в счетчике определяет заменяемую строку в полностью ассоциативной кэш-памяти или строку в пределах модуля для множественно-ассоциативной кэш-памяти. Данный алгоритм используется крайне редко.



9. Алгоритмы согласования содержимого кэш-памяти и основной памяти

По методу сквозной записи, прежде всего, обновляется слово, хранящееся в основной памяти. Если в кэш-памяти существует копия этого слова, то она также обновляется. Если же в кэш-памяти отсутствует нужная копия, то либо из основной памяти в кэш-память пересылается блок, содержащий обновленное слово (сквозная запись с отображением); либо этого не делается (сквозная запись без отображения).

Главное достоинство метода сквозной записи состоит в том, что когда строка в кэш-памяти назначается для хранения другого блока, то удаляемый блок можно не возвращать в основную память, поскольку его копия там уже имеется. Метод достаточно прост в реализации. К сожалению, эффект от использования кэш-па­мяти (сокращение времени доступа) в отношении к операциям записи здесь отсутствует. Данный метод применен в микропроцессорах i486 фирмы Intel.

Определенный выигрыш дает его модификация, известная как метод буферизированной сквозной записи. Информация сначала записывается в кэш-память и в специальный буфер, работающий по схеме FIFO. Запись в основную память производится уже из буфера, а процессор, не дожидаясь ее окончания, может сразу же продолжать свою работу. Конечно, соответствующая логика управления должна заботиться о том, чтобы своевременно «опустошать» заполненный буфер. При использовании буферизации процессор полностью освобождается от работы с ОП.

Согласно методу обратной записи, слово заносится только в кэш-память. Если соответствующей строки в кэш-памяти нет, то нужный блок сначала пересылается из ОП, после чего запись все равно выполняется исключительно в кэш-память. При замещении строки ее необходимо предварительно переслать в соответствующее место основной памяти. Для метода обратной записи, в отличие от алгоритма сквозной записи, характерно то, что при каждом чтении из основной памяти осуществляются две пересылки между основной и кэш-памятью.

У рассматриваемого метода есть разновидность -- метод флаговой обратной записи. Когда в какой-то строке кэша производится изменение, устанавливается связанный с этой строкой бит изменения (флажок). При замещении строка из кэш­памяти переписывается в ОП только тогда, когда ее флажок установлен в 1. Ясно, что эффективность флаговой обратной записи несколько выше. Такой метод ис­пользуется в микропроцессорах класса i486 и Pentium фирмы Cyrix.

В среднем обратная запись на 10% эффективнее сквозной записи, но для ее реализации требуются и повышенные аппаратные затраты. С другой стороны, практика показывает, что операции записи составляют небольшую долю от общего количества обращений к памяти. Так, в [194] приводится число 16%. Другие авторы оценивают долю операций записи величинами в диапазоне от 5 до 34%. Таким образом, различие по быстродействию между рассмотренными методами невелико.

10. Виртуальная память. Страничная организация виртуальной памяти

Страничная организация ВП: программа разбивается на блоки одинакового фиксированного размера. Размер страницы кратен размеру сектора ЖД. ВПА и ФПА разбиваются на страницы.

Страницам присваивают номера. Доступ к данным осуществляется по номеру страницы:

1) ЦП по номеру страницы и смещению получает доступ к ячейке ВП.

Номер стр. + смещение = ячейка ВП.

2) ВА поступает в преобразователь. Т.к. смещение в ВА и ФА одинаковое, то преобразовывается только номер страницы. Если преобразователь обнаружил отсутствие данных в ячейке, то он записывает их из ЖД (ОП - промах)

Преобразователь адресов - часть ОС, транслирующая адрес в стр. в номер ф. стр. в ОП, а также аппаратные средства, обеспечивающие этот процесс и ускоряющие его.

Преобразование осуществляется с помощью страничной таблицы.

Страничная таблица определяет, какие страницы находятся в ОП и в каких физических фреймах.

Кол-во записей таблицы = кол-во В.стр.

Признаки:

a) V - признак присутствия

b) R - признак использования

c) M - признак модификации

d) A - признак прав доступа

11. Виртуальная память. Сегментная организация виртуальной памяти

В сегментной организации ВП программа делится на сегменты - логические группы с независимой адресацией бит внутри нее.

Признаки:

a) E - выполнение разрешено

b) E - чтение разрешено

c) W - запись

d) RW - чтение и запись

При работе используется таблица сегментов.

12. Внешние запоминающие устройства

Информация в ЗУ на магнитных дисках (МД) хранится на плоских металлических или пластиковых пластинах (дисках), покрытых магнитным материалом. Данные записываются и считываются с диска с помощью электромагнитной катушки» называемой головкой считывания/записи, которая в процессе считывания и записи 272 Глава 5. Память неподвижна, в то время как диск вращается относительно нее. При записи на головку подаются электрические импульсы, намагничивающие участок поверхности под ней, причем характер намагниченности поверхности различен в зависимости от направления тока в катушке. Считывание базируется на электрическом токе, наводимом в катушке головки, под воздействием перемещающегося относительно нее магнитного поля. Когда под головкой проходит участок поверхности диска, в катушке наводится ток той же полярности, что использовался для записи ин формации. Несмотря на разнообразие типов магнитных дисков, принципы их организации обычно однотипны.

Для аудио компакт-дисков и CD-ROM используется идентичная технология. Основное отличие состоит в том, что проигрыватели CD-ROM более прочные и содержат устройства для исправления ошибок, обеспечивающие корректность передачи данных с диска в ВМ. Диск изготавливается из пластмассы, например поли карбоната, и покрыт окрашенным слоем с высокой отражающей способностью, обычно алюминием. информация заносится в виде микроскопических углублений в отражающей поверхности. Запись информации производится с помощью сильно сфокусированного луча лазера высокой интенсивности. Так создается так называемый мастер-диск, с которого затем печатаются копии. Углубления на копии защищаются от пыли и повреждений путем покрытия поверхности диска прозрачным лаком. Информация с диска считывается маломощным лазером, расположенным в проигрывателе. Лазер освещает поверхность вращающегося диска сквозь прозрачное покрытие. Интенсивность отраженного луча лазера меняется, когда он попадает в углубление на диске. Эти изменения фиксируются фотодетектором и преобразуются в цифровой сигнал. Углубления, расположенные ближе к центру диска, перемещаются относительно луча лазера медленнее, чем более удаленные. Из-за этого необходимы меры для компенсации различий в скорости так, чтобы лазер мог считывать информацию с постоянной скоростью. Одно из возможных решений аналогично применяемому в магнитных дисках - увеличение расстояния между битами информации, в зависимости от ее расположения на диске. В этом случае диск может вращаться с неизменной скоростью и, соответственно, такие дисковые ЗУ известны как устройства с постоянной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity). Ввиду нерационального использования внешней части диска метод постоянной угловой скорости в CD-ROM не поддерживается. Вместо этого информация по диску размещается в секторах одинакового размера, которые сканируются с постоянной скоростью за счет того, что диск вращается с переменной скоростью. В результате углубления считываются лазером с постоянной линейной скоростью (CLV, Constant Linear Velocity). При доступе к информации у внешнего края диска скорость вращения меньше и возрастает при приближении к оси. Емкость дорожки и задержки вращения возрастают по мере смещения от центра к внешнему краю диска.

Технология дисков WORM - дисков с однократной записью и многократным считыванием, была разработана для мелкосерийного производства оптических дисков. Такие диски предполагают ввод информации лучом относительно мощного лазера. При этом пользователь с помощью несколько более дорогого, чем CD-ROM, устройства может единожды записать информацию, а затем многократно ее считывать. Для обеспечения более быстрого доступа в устройстве поддерживается метод постоянной угловой скорости при относительном снижении емкости. Типовая техника подготовки такого диска предполагает мощный лазер для создания на поверхности диска последовательности пузырьков. Для записи информации предварительно отформатированный пузырьками диск помещается в накопитель WORM, где имеется маломощной лазер, тепла от которого тем не менее достаточно для того, чтобы «взорвать» пузырек. В процессе операции считывания лазер в накопителе WORM освещает поверхность диска. Так как «взорванный» пузырек создает более высокий контраст, чем окружающая поверхность, его легко распознать с помощью простой электроники. Данный тип носителя привлекателен для архивного хранения документов и файлов.

Магнитные ленты ЗУ на базе магнитных лент используются в основном для архивирования информации. Носителем служит тонкая полистироловая лента шириной от 0,38-2,54 см и толщиной около 0,025 мм, покрытая магнитным слоем. Лента наматывается на бобины различного диаметра. Данные записываются последовательно, байт за бай том, от начала ленты до ее конца. Время доступа к информации на магнитной лен те значительно больше, чем у ранее рассмотренных видов внешней памяти. Обычно вдоль ленты располагается 9 дорожек, что позволяет записывать попе рек ленты байт данных и бит паритета. Информация на ленте группируется в блоки -- записи. Каждая запись отделяется от соседней межблочным промежутком, дающим возможность позиционирования головки считывания/записи на начало любого блока. Идентификация записи производится по полю заголовка, содержащемуся в каждой записи. Для указания начала и конца ленты используются физические маркеры в виде металлизированных полосок, наклеиваемых на магнитную ленту, или прозрачных участков на самой ленте. Известны также варианты маркирования начала и конца ленты путем записи на нее специальных кодов-индикаторов



13. Понятие системы ввода-вывода ВМ. Адресное пространство системы ввода-вывода ВМ

Система I/O - комплекс средств I/O.

Система I/O обеспечивает обмен между CPU и внешней периферией. Система I/O несет ответственность за физическое и логическое сопряжение ядра ВМ и внешних устройств.

Способы подключения:

Раздельные шины памяти и I/O.

Совместно используемая шина на равных правах с памятью

Совместные шины адреса и данных, но раздельные шины управления.

АП I/O

Совместное с ОЗУ: В ОЗУ резервируется ограниченная область под адреса портов.

Выделенное (используется сейчас)

В совмещенных системах не было команд I/O

Выделенное АП:

Для обращения к МВВ используются спец. Команды и отдельная система адресов. АП используется по прямому назначению и в полном объеме. Есть возможность совмещения работы с ОЗУ.

Модули ввода-вывода. Методы управления вводом-выводом.

Модуль ввода/вывода в составе вычислительной машины отвечает за управление одним или несколькими ВУ и за обмен данными между этими устройствами с одной стороны, и основной памятью или регистрами ЦП - с другой. Основные функции МВБ можно сформулировать следующим образом:

- локализация данных;

Под локализацией данных будем понимать возможность обращения к одному из ВУ, а также адресации данных на нем. Адрес ВУ обычно содержится в адресной части команд ввода/вывода. Как уже отмечалось, в состав СВВ могут входить несколько модулей ввода/вывода. Каждому модулю назначается определенный диапазон адресов, независимо от того, является ли пространство адресов совмещенным или раздельным. Старшие разряды в адресах диапазона, выделенного модулю, обычно одинаковы и обеспечивают выбор одного из МВБ в рамках системы ввода/вывода. Младшие разряды адреса представляют собой уникальные адреса регистров данного модуля или подключенных к нему ВУ.

Одной из функций МВВ является проверка вхождения поступившего по шине адреса в выделенный данному модулю диапазон адресов. При положительном ответе модуль должен обеспечить дешифровку поступившего адреса и перенаправление информации к адресуемому объекту или от него.

- управление и синхронизация;

Функция управления и синхронизации заключается в том, что МВВ должен координировать перемещение данных между внутренними ресурсами ВМ и внешним устройствами.

- обмен информацией;

Основной функцией МВВ является обеспечение обмена информацией. Со стороны «большого» интерфейса - это обмен с ЦП, а со стороны «малого» интерфейса - обмен с ВУ. В таком плане требования к МВВ непосредственно проистекают из типовой последовательности операций, выполняемых процессором при вводе-выводе:

1. Выбор требуемого внешнего устройства.

2. Определение состояния МВБ и ВУ.

3. Выдача указания модулю ввода/вывода на подключение нужного ВУ к процессору.

4. Получение от МВБ подтверждения о подключении затребованного ВУ к процессору.

5. Распознавание сигнала готовности устройства к передаче очередной порции информации.

6. Прием (передача) порции информации.

7. Циклическое повторение двух предшествующих пунктов до завершения передачи информации в полном объеме.

8. Логическое отсоединение ВУ от процессора.

С учетом описанной процедуры функция обмена информацией с ЦП включает

в себя:

- дешифровку команды: МВБ получает команды из ЦП в виде сигналов на шине управления;

- пересылку данных между МВБ и ЦП по шине данных;

- извещение о состоянии: из-за того, что ВУ -- медленные устройства, важно знать состояние модуля ввода/вывода. Так, в момент получения запроса на пересылку данных в центральный процессор МВБ может быть не готов выполнить эту пересылку, поскольку еще не завершил предыдущую команду. Этот факт должен быть сообщен процессору с помощью соответствующего сигнала. Возможны также сигналы, уведомляющие о возникших ошибках;

- распознавание адреса; МВБ обязан распознавать адрес каждого ВУ, которым он управляет.

Наряду с обеспечением обмена с процессором МВВ должен выполнять функцию обмена информацией с ВУ, Такой обмен также включает в себя передачу данных, команд и информации о состоянии.

- буферизация данных;

Несмотря на различия в скорости обмена информацией для разных ВУ, все они в этом плане значительно отстают от ЦП и памяти. Такое различие компенсируется за счет буферизации. При выводе информации на ВУ данные пересылаются из основной памяти в МВБ с большой скоростью. В модуле эти данные буферизируются и затем направляются в ВУ со скоростью, свойственной последнему. При вводе из ВУ данные буферизируются так, чтобы не заставлять память работать в режиме медленной передачи.

- обнаружение ошибок.

Структура модуля ввода-вывода. Функции управления вводом-выводом.

Структура МВВ в значительной мере зависит от числа и сложности внешних устройств, которыми он управляет, однако в самом общем виде такой модуль можно представить в форме, показанной на рис. 8,5.

Связь модуля ввода/вывода с ядром ВМ осуществляется посредством систем ной или специализированной шины. С этой стороны в МВВ реализуется так называемый "большой" интерфейс. Большие различия в архитектуре систем команд и шин ВМ являются причиной того, что со стороны "большого" интерфейса моду ли ввода/вывода достаточно трудно унифицировать, и часто МВВ, созданные для одних ВМ, не могут быть использованы в других. Тем не менее в структурном плане они достаточно схожи.

Данные, передаваемые в модуль и из него, буферизируются в регистре данных. Буферизация позволяет компенсировать различие в быстродействии ядра ВМ и внешних устройств. Разрядность регистра, как правило, совпадает с шириной шины данных со стороны «большого» интерфейса (2, 4 или 8 байт). В свою очередь, большинство ВУ ориентировано на побайтовый обмен информацией. Побайтовая пересылка информации по «широкой» системной шине - крайне неэффективное решение, поэтому со стороны «малого» интерфейса регистр данных часто дополняют узлом упаковки/распаковки (на схеме не показан). Этот узел при вводе обеспечивает последовательное побайтовое заполнение регистра данных (упаковку), а при выводе -- последовательную побайтовую выдачу содержимого регистра на ВУ (распаковку). В результате при обмене данными через «большой» интерфейс занята вся ширина шины данных. В МВБ, рассчитанных на работу с большим числом ВУ, могут входить несколько регистров данных, что позволяет независимо хранить текущие данные каждого из внешних устройств.

Помимо регистра данных в составе МВБ имеются также регистр управления и регистр состояния (либо совмещенный регистр управления/состояния).

В регистре управления (РУ) фиксируются поступившие из ЦП команды управления модулем или подключенными к нему внешними устройствами. Отдельные разряды регистра могут представлять такие команды, как очистка регистров МВБ, сброс ВУ, начало чтения, начало записи и т. п. В сложных МВВ присутствует несколько регистров управления, например регистр управляющих сигналов для модуля в целом и отдельные РУ для каждого из ВУ.

Регистр состояния (PC) служит для хранения битов состояния МВВ и подключенных к нему ВУ. Содержимое определенного разряда регистра может характеризовать, например, готовность устройства ввода к приему очередной порции данных, занятость устройства вывода или нахождение ВУ в автономном режиме (offline). В МВВ не исключается наличие и более одного регистра состояния.

Процедура ввода/вывода предполагает возможность работы с каждым регистром МВВ или внешним устройством по отдельности. Такая возможность обеспечивается системой адресации. Каждому модулю в адресном пространстве ввода/ вывода (совмещенном или раздельном) выделяется уникальный набор адресов, количество адресов в котором зависит от числа адресуемых элементов. Поступивший из ЦП адрес с помощью селектора адреса проверяется на принадлежность к диапазону, выделенному данному МВВ. В случае подтверждения дешифратор DC выполняет раскодирование адреса, разрешая работу с соответствующим регистром модуля или ВУ.

Узел управления вводом/выводом по сути играет роль местного устройства управления МВВ. На него возлагаются две задачи: обеспечение взаимодействия с ЦП и координация работы всех составляющих МВВ. Связь с ЦП реализуется посредством линий управления, по которым из ЦП в модуль поступают сигналы, служащие для синхронизации операций ввода и вывода. В обратном направлении передаются сигналы, информирующие о происходящих в модуле событиях, напри мер сигналы прерывания. Часть линий управления может задействоваться модулем для арбитража. Вторая функция узла управления реализуется с помощью внутренних сигналов управления.

Со стороны «малого» интерфейса МВВ обеспечивает подключение внешних устройств и взаимодействие с ними. Эта часть МВВ более унифицирована, поскольку внешние устройства всегда подгоняются под один из стандартных протоколов. Каждое из внешних устройств «обслуживается»- своим узлом «малого» интерфейса, который реализует принятый для данного ВУ стандартный протокол взаимодействия.

При управлении широким спектром ВУ модуль должен по возможности освобождать ЦП от знания деталей конкретных ВУ, так чтобы ЦП мог управлять любым устройством с помощью простых команд чтения и записи. МВВ при этом берет на себя задачи синхронизации, согласования форматов данных и т. п.

Модуль ввода/вывода, который берет на себя детальное управление ВУ и общается с ЦП только с помощью команд высокого уровня, часто называют каналом ввода/вывода или процессором ввода/вывода. Наиболее примитивный МВВ, требующий детального управления со стороны ЦП, называют контроллером ввода/ вывода или контроллером устройства. Как правило,' контроллеры ввода/вывода типичны для микро-ЭВМ, а каналы ввода/вывода - для универсальных ВМ.

В ВМ находят применение три способа организации ввода/вывода (В/ВЫВ):

- программно-управляемый ввод/вывод;

- ввод/вывод по прерываниям;

- прямой доступ к памяти.

При программно-управляемом вводе/выводе все связанные с этим действия про исходят по инициативе центрального процессора и под его полным контролем. ЦП выполняет программу, которая обеспечивает прямое управление процессом ввода/вывода, включая проверку состояния устройства, выдачу команд ввода или вывода. Выдав в МВВ команду, центральный процессор должен ожидать завершения ее выполнения, и, поскольку ЦП работает быстрее, чем МВВ, это приводит к потере времени.

Ввод/вывод по прерываниям во многом совпадает с программно-управляемым методом. Отличие состоит в том, что после выдачи команды ввода/вывода ЦП не должен циклически опрашивать МВВ для выяснения состояния устройства. Вместо этого процессор может продолжать выполнение других команд до тех пор, пока не получит запрос прерывания от МВВ, извещающий о завершении выполнения ранее выданной команды В/ВЫВ. Как и при программно-управляемом В/ВЫВ, ЦП отвечает за извлечение данных из памяти (при выводе) и запись данных в па мять (при вводе).

Повышение как скорости В/ВЫВ, так и эффективности использования ЦП обеспечивает третий способ В/ВЫВ - прямой доступ к памяти (ПДП). В этом режиме основная память и модуль ввода/вывода обмениваются информацией на прямую, минуя процессор.

Подсистема прерываний ВМ. Классификация прерываний. Функция подсистемы прерываний.

Прерывания - приостановка выполнения программы при реакции вне этой программы.

Виды:

Внутренние

Внешние

Программные

Подсистема прерываний - совокупность аппаратных и программных средств для обработки прерываний.

Функции:

Формирование запроса на прерывание

Определение источника

Приоритет запроса

Приоритет программы

Сохранение контекста программы

Обработка прерывания

Возобновление работы

Подсистемы прерываний:

Радиальная - обход устройств (проверка на наличие генерируемых ими сигналов)

Векторная - по адресу первой команды подсистемы обработки прерываний. Процессор в широковещательном режиме выставляет сигналы обнаружения прерывания, а нужное устройство выставляет вектор прерывания на шину адреса.

Тенденции повышения производительности ЦП

Суперскалярная архитектура

Программные инструкции (команды) обрабатываются электронными схемами, называемыми операционными блоками или исполнительными устройствами. Термин суперскалярная архитектура означает одновременное использование нескольких операционных блоков, что позволяет центральному процессору выполнять несколько инструкций за один машинный такт (цикл). Например, в процессоре Pentium Pro используются два операционных конвейера (их называют «U» и «V»). Это является формой многопроцессорности внутри самого центрального процессора, поскольку несколько часто выполняемых операций выполняются параллельно несколькими устройствами. Большинство современных процессоров являются суперскалярными на том или ином уровне. За счет сочетания конвейерной обработки команд с несколькими операционными блоками в суперскалярной архитектуре центрального процессора удается достигать чрезвычайно эффективного использования каждого машинного такта.

Конвейерная обработка

Центральный процессор обрабатывает команды и генерирует результат их выполнения посредством сложных серий переключений транзисторов внутри самого кристалла процессора (также как и в случае любой другой логической микросхемы). Первые процессоры выполняли последовательно одну команду за другой. Каждая команда выбиралась из памяти и полностью выполнялась, затем выбиралась следующая команда. Обработка могла занимать несколько машинных тактов (в зависимости от команды). Простые команды могли выполняться за 2 или 3 такта, а сложные команды требовали для своего выполнения от 2 до 7 тактов.

Конвейерная обработка (командный конвейер) позволяет начинать обработку следующей команды еще до окончания выполнения текущей команды. Таким образом, центральный процессор за один машинный такт может обрабатывать несколько команд.

Иными словами, в каждый такт в конвейере могут находиться несколько команд. Конвейерный метод обработки обеспечивает загрузку операционных блоков, не занятых обработкой текущей команды. В то же время центральный процессор может выдавать в каждом такте результат обработки только одной команды.

Спекулятивное выполнение и предсказание переходов

Некоторые процессоры обладают способностью одновременного выполнения нескольких команд. В ряде случаев не все результаты обработки этих команд будут использоваться, поскольку ветвление программы может привести к тому, что часть уже загруженных в конвейер команд не должна была исполняться. Такое часто наблюдается на участках программ вблизи команд условных переходов -- где проверяется некоторое условие, и дальнейшее выполнение программы зависит от проверки выполнения этого условия (условный оператор в любом языке программирования). Ветвление программы представляет реальную проблему для конвейера команд, поскольку нет гарантии в том, что программа будет далее выполняться линейно (т.е. не будет выполнена команда перехода на другую часть программы). Менее «интеллектуальные» процессоры останавливают конвейер до того момента, когда будет известен результат проверки условия ветвления программы, что приводит к падению производительности. Более совершенные процессоры будут продолжать обрабатывать конвейер команд в предположении, что выполнение программы продолжится без ветвления.

Еще более совершенные процессоры обладают способностью предсказывать ветвление программы (с достаточно хорошей точностью) на основе анализа предыдущей истории выполнения данного участка программы. Механизм предсказания программных переходов улучшает обработку ветвлений программы. При этом используется специальная небольшая кэш-память, называемая целевым буфером ветвлений. Когда процессор обрабатывает команду перехода, то он запоминает информацию о ней в этой памяти. Если процессор в следующий раз встретит эту команду перехода, то он может уже «догадаться» (на основе записанной информации) о направлении ветвления программы в этом месте. Это позволяет не останавливать конвейер и повышает производительность процессора.

Также используется много- и гиперпоточность.

Процессоры. Характеристики и режимы работы процессоров.

Режимы работы процессоров:

1) Реальный - подрежимов нет. Основан на инструкциях 8080 и 8086. Разрядность системы: 16. Разрядность ПО: 16. Разрядность адр. Памяти: 24. Решал однозадачные проблемы.

2) IA-32 . Разрядность ОС, ПО, регистров, операнда и адр. памяти: 32. Появился защищенные режим.

Для виртуально обратно-реального - поддерживал 16x. Разрядность ОС: 32, остальное: 16.

Защищенный режим многозадачен. Вирт. Реал. - тоже.

IA-32c. Процессоры с x64 могут работать в 64x и в режиме совместимости. 64: операнды - 16, остальное - 64. В режиме совместимости ОС - 64, остальное 32.

Размещено на Allbest.ru

...