Организация памяти. Организация систем адресации и команд

Содержание

Организация памяти.

Организация систем адресации и команд

Заключение

Список использованной литературы

Организация памяти

Системная память. Обычно под системной понимают лишь оперативную память. На са­мом деле работоспособность всей компьютерной системы зависит от характеристик подсистемы памяти в целом. Подсистема памяти охватывает:

оперативную память как таковую;

кэш-память первого уровня, расположенную в ядре МП;

кэш-память второго уровня (в некоторых конфигурациях она выступает как кэш третьего уровня), размещаемую на СП, на картридже МП или в его ядре;

контроллер памяти;

шины данных и команд, объединяющие все элементы подсистемы в единое целое.

Системная память подразделяется на два типа — с динамической и статической выборкой. В первом случае значение бита информации в ячейке определяется наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе, управляемом одним—двумя транзисторами. В статичес­кой памяти применены специальные элементы — триггеры, реализован­ные на 4-6 транзисторах. Естественно, что из-за необходимости ожида­ния накопления (стекания) заряда на конденсаторе быстродействие DRAM ниже. Однако благодаря большему числу транзисторов на ячей­ку, память SRAM существенно дороже. Обычно модули DRAМ приме­няют в оперативной и видеопамяти, а модули SRAМ — в качестве быс­трых буферных элементов в процессорах, на СП, в контроллерах дис­ков, CD-RОМ и пр.

Статическая память. Ячейкой в статической памяти является триггер — логический эле­мент с двумя устойчивыми достояниями, в любом из которых он сохра­няется до тех пор, пока подается питание. Время срабатывания триггера составляет в современных микросхемах единицы наносекунд. Однако плотность компоновки ячеек SRAM существенно ниже, чем в микросхе­мах DRAM, а стоимость производства выше, поэтому статическая па­мять применяется лишь в наиболее ответственных компонентах.

В современных системах обычно используется конвейерный режим с пакетным способом передачи данных (Pipelined Burst Cache), организо­ванный на микросхемах статической памяти с синхронным доступом.

Асинхронная динамическая память (DRAM). Асинхронный интерфейс работы динамической памяти предусматри­вает наличие отдельного устройства в контроллере памяти для генера­ции управляющих сигналов. Для операций чтения/записи определяется продолжительность, зависящая от технологии изготовления микросхе­мы, ширины шины данных, наличия буфера и других параметров. Каждый цикл операции чтения и записи ячеек памяти может иметь продолжительность, отличную от других циклов. Никакая последую­щая операция не может начаться до сигнала об окончании предыдущей. Для генерации необходимых импульсов контроллер асинхронной памя­ти имеет делитель, вырабатывающий сигналы необходимой частоты для каждой операции внутри цикла.

Синхронная динамическая память (SDRAM). В этом случае все команды и обмен данными по шине памяти прохо­дят синхронно с тактовыми импульсами системной шины, поэтому все циклы одной операции имеют одинаковую продолжительность.

Ячейки в динамической памяти образуют матрицу, состоящую из строк и столбцов. При считывании данных содержимое одной строки целиком переносится в буфер, реализованный на элементах статичес­кой памяти. После этого из строки считывается значение (0 или 1) нуж­ной ячейки, и содержимое буфера вновь записывается в прежнюю стро­ку динамической памяти. Такие переносы данных осуществляются пу­тем изменения состояния конденсаторов ячеек, то есть происходит про­цесс заряда (разряда, если конденсатор был заряжен). Так как конден­саторы чрезвычайно малы, высока вероятность непроизвольного изме­нения их состояния из-за паразитных утечек и наводок.

Для исключения утраты данных проводятся циклы регенерации с определенной частотой, которые обычно инициализируются специали­зированными микросхемами. За один такт микропроцессора память может регенерироваться несколько раз.

Без участия МП информация из памяти может считываться блоками устройством прямого доступа к памяти DMA — Direct Memory Access. При необходимости оно посылает запрос, содержащий адрес и размер блока данных, а также управляющие сигналы. Так как доступ к памяти по каналам DMA одновременно могут иметь несколько устройств (на­пример, процессор, видеокарта с интерфейсом AGP, контроллер шины PCI, HDD), образуется очередь запросов, хотя каждому потребителю ресурсов памяти требуются собственные данные, часто расположенные не только в разных микросхемах, но и в разных банках памяти.

ОЗУ (англоязычное название RAM, Random-Access Memory — па­мять с произвольной выборкой) хранит выполняемые программы и данные, непосредственно участвующие в операциях. Среднее время доступа к ее ячейкам составляет около 10 наносекунд (10~9 с). На современных ПК объем ОЗУ находится в пределах 128-4096 Мбайт. От объёма ОЗУ зависит не только возможность работы с ресурсоём­кими программами, но и его производительность, поскольку при нехватке памяти в качестве её логического расширения используется жесткий диск, время доступа к которому значительно больше. На производи­тельность ПК влияют также быстродействие ОЗУ и используемый спо­соб обмена данными между микропроцессором и памятью.

ОЗУ реализуется на микросхемах DRAM (Dynamic RAМ — динами­ческая память с произвольной выборкой), характеризующихся по срав­нению с другими разновидностями памяти низкой стоимостью и высо­кой удельной ёмкостью, но большим энергопотреблением и меньшим быстродействием. Каждый информационный бит (0 или 1) в DRAM хра­нится в виде заряда конденсатора. Из-за токов утечки этот заряд необ­ходимо с определённой периодичностью обновлять. Регенерация содер­жимого памяти требует дополнительного времени, а запись информации во время регенерации в память не допускается.

Видеоадаптер ПК позволяет монитору взаимодействовать с процес­сором. Поэтому видеоадаптер должен иметь специальную память (ви­деопамять), в которую процессор записывает изображение в периоды относительно небольшой загруженности. А уже затем видеоадаптер, независимо от процессора, может выводить содержимое видеопамяти на экран. В современных условиях минимальным объёмом видеопамяти следует считать 32 Мбайт, приемлемым — 128 Мбайт, комфортным — 256 Мбайт. Ввиду больших объёмов видеоинформации видеоадаптеры, как правило, подключаются к материнской плате через специализиро­ванные шины с наибольшей пропускной способностью.

Энергонезависимая память CMOS. Выше мы отметили, что работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причи­нам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве. Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изме­нять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, располо­женной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микро­схема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS. Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе обо­рудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Микросхема ПЗУ и система BIOS. В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего — ни дан­ных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется старто­вый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам. Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти — постоянное запоминающее устрой­ство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «заши­тыми» — их записывают туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и диско­водом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры. Модуль BIOS находится в микросхеме энергонезависимой памяти (CMOS'-памяти). В CMOS'-памяти записана конфигурация аппаратных средств компьютера и некоторая другая информация. Она питается от небольшой батареи, и поэтому ее содержимое не стирается даже после выключения питания компьютера. Если системная плата содержит встро­енный контроллер накопителей на жестких дисках, на ней также распо­лагается разъем для подключения индикатора жесткого диска. Этот индикатор светится в момент обращения к жестким дискам.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы умень­шить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десят­ков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш­-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

2. Организация систем адресации и команд

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки опе­ративной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изме­няться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отме­тить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регист­ров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основ­ных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распростра­нены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комби­нация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе про­цессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укла­дываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (напри­мер, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Система команд процессора. В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находя­щиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосред­ственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относя­щиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Про­цессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и не взаимозаменяемы.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд. Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формаль­ная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполне­ния одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, сис­тема команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расши­ренной системой команд — CISС-процессорами (CISC — Complex Instruction Set Computing).

В противоположность CISC-процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом, программы, состоя­щие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее. Обо­ротная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения:

CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Для персональных компьютеров платформы IBM PC долгое время выпускались только CISC-процессоры, к которым относятся и все процессоры семейства Intel Pentium. Однако в последнее время компания AMD приступила к выпуску про­цессоров семейства AMD-K6, в основе которых лежит внутреннее ядро, выпол­ненное по RISC-архитектуре, и внешняя структура, выполненная по архитектуре CISC. Таким образом, сегодня появились процессоры, совместимые по системе команд с процессор

Заключение

Системная память подразделяется на два типа — с динамической и статической выборкой, динамическая в свою очередь на синхронную и асинхронную.

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) — па­мять с произвольной выборкой, она хранит выполняемые программы и данные, непосредственно участвующие в операциях. От объёма ОЗУ зависит не только возможность работы с ресурсоём­кими программами, но и производительность ПК.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – память, которая длительное время хранит информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «заши­тыми» — их записывают туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS).

Для работы с другим оборудованием необходима «энергонезависимая память» (CMOS). От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения ком­пьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изме­нять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Для того чтобы умень­шить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.

Видеоадаптер имеет специальную память (видеопамять), в которую процессор записывает изображение в периоды относительно небольшой загруженности. А уже затем видеоадаптер, независимо от процессора, выводит содержимое видеопамяти на экран.

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, данные в них могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина состоит из параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из нулей и единиц образует разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, из областей, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. В процессе работы процессор часть данных интерпретирует непосредственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует систему команд процессора.

Список использованной литературы

Гуда А.Н., Бутакова М.А., Нечитайло Н.М., Чернов А.В. Информатитка. Общий курс: Учебник / Под ред. академика РАН В.И. Колесникова. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К». Ростов н / Д : Наука – Пресс, 2008. – 400с.

Информатика: Базовый курс: / О.А. Акулов, Н.В.Медведев. 2-е изд., испр. и доп. – М.: Омега – Л, 2005.- 552с.

Информатика: Учебник. – 3-е перераб. изд. / Под ред. Н.В. Макаровой. – М.: Финансы и статистика, 2002. – 768с.: ил.

Информатика. Базовый курс / Симонович С.В. и др. – Спб: Издательство «Питер», 2000. – 640с.: ил.