Память ЭВМ
Память как один из блоков ЭВМ, состоящий из ЗУ и предназначенный для запоминания, хранения и выдачи информации. Основные характеристики отдельных устройств памяти, ее иерархическая структура. Принципы и порядок организации внутренней памяти процессора.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 06.11.2010 |
| Размер файла | 37,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
ПАМЯТЬ ЭВМ
1. Иерархическая структура памяти ЭВМ
Память - один из блоков ЭВМ, состоящий из ЗУ и предназначенный для запоминания, хранения и выдачи информации (алгоритма обработки данных и самих данных).
Основными характеристиками отдельных устройств памяти (запоминающих устройств) являются емкость памяти, быстродействие и стоимость хранения единицы информации (бита).
Быстродействие (задержка) памяти определяется временем доступа и длительностью цикла памяти.
Время доступа представляет собой промежуток времени между выдачей запроса на чтение и моментом поступления запрошенного слова из памяти. Длительность цикла памяти определяется минимальным временем между двумя последовательными обращениями к памяти.
Требования к увеличению емкости и быстродействия памяти, а также к снижению ее стоимости являются противоречивыми. Чем больше быстродействие, тем технически труднее достигается и дороже обходится увеличение емкости памяти. Стоимость памяти составляет значительную часть общей стоимости ЭВМ.
Как и большинство устройств ЭВМ, память имеет иерархическую структуру. Обобщённая модель такой структуры, отражающая многообразие ЗУ и их взаимодействие, представлена на рисунке 1.
Все запоминающие устройства обладают различным быстродействием и емкостью. Чем выше уровень иерархии, тем выше быстродействие соответствующей памяти, но меньше её емкость.
К самому высокому уровню - сверхоперативному - относятся регистры управляющих и операционных блоков процессора, сверхоперативная память, управляющая память, буферная память (кэш-память).
На втором оперативном уровне, более низком, находится оперативная память (ОП), служащая для хранения активных программ и данных, то есть тех программ и данных, с которыми работает ЭВМ.
Рис. 1. Иерархическая структура памяти
На следующем более низком внешнем уровне размещается внешняя память.
Местная память или регистровая память процессора. Входит в состав ЦП (регистры управляющих и операционных блоков процессора) и предназначена для временного хранения информации. Она имеет малую ёмкость и наибольшее быстродействие.
Построена на базе регистров общего назначения. РОН конструктивно совмещены с процессором ЭВМ. Этот тип ЗУ используется для хранения управляющих и служебных кодов, а также информации, к которой наиболее часто обращается процессор при выполнении программы.
Сверхоперативная память. Иногда в архитектуре ЭВМ регистровая память организуется в виде сверхоперативного ЗУ с прямой адресацией. Такая память имеет то же назначение как и РОН, служит для хранения операндов, данных и служебной информации, необходимой процессору.
Управляющая память предназначена для хранения управляющих микропрограмм процессора (см. раздел Устройство управления микропрограммного типа). Выполнена в виде постоянного ЗУ (ПЗУ) или программируемого постоянного ЗУ (ППЗУ). В системах с микропрограммным способом обработки информации УП применяется для хранения однажды записанных микропрограмм, управляющих программ, констант и т.п.
Буферная память. В функциональном отношении кэш-память рассматривается как буферное ЗУ, размещённое между основной (оперативной) памятью и процессором.
Основное назначение кэш-памяти - кратковременное хранение и выдача активной информации процессору, что сокращает число обращений к основной памяти, скорость работы которой меньше, чем кэш-памяти. Кэш - память от английского cashe - тайник. Она не является программно доступной.
Поэтому она оказывает влияние на производительность ЭВМ, но не влияет на программирование прикладных задач. В современных ЭВМ различают кэш первого и второго уровней. Кэш первого уровня интегрирована с блоком предварительной выборки команд и данных ЦП и служит, как правило, для хранения наиболее часто используемых команд. Кэш второго уровня служит буфером между ОП и процессором. В некоторых ЭВМ существует кэш память отдельно для команд и отдельно для данных.
ОП (ОЗУ) служит для хранения информации, непосредственно участвующей в вычислительном процессе (происходящем в операционном устройстве - АЛУ).
Из ОЗУ в процессор поступают коды и операнды, над которыми производятся предусмотренные программой операции, из процессора в ОЗУ направляются для хранения промежуточные и конечные результаты обработки информации. ОЗУ имеет сравнительно большую ёмкость и высокое быстродействие, однако меньшее, чем ЗУ сверхоперативного уровня.
Внешняя память (ВнП) используется для хранения больших массивов информации в течении продолжительного времени. Обычно ВнП не имеет непосредственной связи с процессором. Обмен информацией носит групповой характер, что значительно сокращает время обмена. ВнП обладает сравнительно низким быстродействием (поиск информации). В качестве носителя используются магнитные диски (гибкие и жёсткие), лазерные диски (CD-ROM) и др.
Сравнительно небольшая емкость оперативной памяти (8 - 64 Мбайта) компенсируется практически неограниченной емкостью внешних запоминающих устройств.
Однако эти устройства сравнительно медленные - время обращения за данными для магнитных дисков составляет десятки микросекунд. Для сравнения: цикл обращения к оперативной памяти (ОП) составляет 50 нс. Исходя из этого, вычислительный процесс должен протекать с возможно меньшим числом обращений к внешней памяти.
Рост производительности ЭВМ проявляется в первую очередь в увеличении скорости работы процессора. Быстродействие ОП также растет, но все время отстает от быстродействия аппаратных средств процессора потому, что одновременно происходит опережающий рост ее емкости, что делает более трудным уменьшение времени цикла работы памяти.
Вследствие этого быстродействие ОП оказывается недостаточным для обеспечения требуемой производительности ЭВМ.
Проявляется это в несоответствии пропускных способностей процессора и памяти. Для выравнивания их пропускных способностей и предназначена сверхоперативная буферная память небольшой емкости (как правило, не более 512 Кбайт) и повышенного быстродействия.
При обращении к блоку данных, находящемуся на оперативном уровне, его копия пересылается в сверхоперативную буферную память. Последующие обращения к этому блоку данных производится к буферной памяти.
Поскольку время выборки из СОЗУ много меньше времени выборки из оперативной памяти tОП, введение в структуру ЭВМ СОЗУ приводит к уменьшению эквивалентного времени обращения tэ по сравнению с временем обращения к оперативной памяти tОП:
tЭ = tСОЗУ + ?tОП,
где ? = 1 - q,
а - вероятность попадания, т.е. вероятность того, что блок данных, к которому производится обращение, находится в СОЗУ.
2. Организация внутренней памяти процессора
В архитектуре современных ЭВМ стал стандартным прием организации регистров общего назначения в виде СОЗУ с прямой адресацией (адреса регистров размещаются в команде).
В машинах с коротким словом, вынуждающим прибегать к одноадресным командам, один из общих регистров выделяется в качестве аккумулятора, регистра, в котором находится один из операндов и в который помещается результат операции.
Регистр аккумулятора в явном виде в команде не адресуется, используется подразумеваемая адресация. В этом случае СОЗУ с прямой адресацией состоит из совокупности регистров, связанных с входной Х и выходной Z шинами (см. рис. 2).
Рис. 2. СОЗУ с прямой адресацией с одним адресным входом
Дешифратор адреса формирует управляющие сигналы 0,1,…, М, подключающие регистр с заданным адресом к шинам СОЗУ.
Адрес регистра, к которому производится обращение с целью записи или чтения (управляющий Сигнал ЗП/ЧТ) информации, поступает по шине А. Дешифратор адреса (ДША) формирует управляющие сигналы 0,1,… М, подключающие регистр с заданным адресом к шинам СОЗУ.
При использовании двухадресных команд типа «регистр - регистр» подобная организация СОЗУ становится неэффективной, т. к. за один такт может быть выбрано содержимое только одного регистра.
Для реализации таких команд за один такт СОЗУ строится в виде совокупности регистров, соединенных с одной входной и двумя выходными шинами (см. рис. 3).
Адреса регистров, к которым производится обращение с целью чтения информации, поступают по шинам А и В. Адрес регистра для записи информации поступают по входу В.
Рис. 3. СОЗУ с прямой адресацией с двумя адресными входами
Двухадресная команда, в которой адресуются два операнда, расположенные в регистрах, и результат операции размещается по одному из этих адресов [0…M].
Дешифраторы адресов формируют управляющие сигналы, подключающие два регистра к выходным шинам при чтении и один регистр при записи.
Стековая память. реализующая безадресное задание операндов, является эффективным элементом архитектуры ЭВМ. Стек представляет собой группу последовательно пронумерованных регистров (аппаратный стек) или ячеек памяти, снабженных указателем стека (обычно регистром), в котором автоматически при записи и считывании устанавливается номер (адрес) первой свободной ячейки стека (вершина стека). При операции записи заносимое в стек слово помещается в свободную ячейку стека, а при считывании из стека извлекается последнее поступившее в него слово. Таким образом, в стеке реализуется принцип LIFO «последний пришел - первый ушел».
Механизм стековой адресации поясняется на рис. 4.
Рис. 4. Стековая память
Предполагается, что область памяти для стека находится в сегменте стека, база которого определяется регистром SS - сегментным регистром стека.
При добавлении записи в стек вначале проверяется, содержит ли указатель стека (ESP) значение, не меньше длины помещаемой в стек записи (2 байта для 16-разрядного и 4 байта для 32-разрядного процессора).
Если это условие не удовлетворено, то генерируется особый случай нарушения стека. Если же ESP содержит значение не меньше требуемого, производится декремент указателя стека на 2 (4) и операнд сохраняется по адресу SS:SP (SS:ESP) в текущем сегменте стека, на который указывает указатель стека. (Число 4 - число байт в 32-х разрядном процессоре).
При извлечении данных из стека содержимое ESP сравнивается с пределом SS. Если обращение оказывается вне предела, формируется особый случай нарушения стека.
Когда обращение оказывается разрешенным, считываются данные по адресу SS: [ESP] и осуществляется инкремент ESP на 4. Извлечь данные из стека можно в регистр или в ЯП.
В современных архитектурах процессоров стек и стековая адресация широко используется при организации переходов к подпрограммам и возврата из них, а также в системах прерывания.
Прежде чем приступать к изучению принципов организации ОП, следует отметить следующее.
В последнее время емкость микросхем динамической памяти учетверялась каждые три года. Но скорость этих микросхем за тот же период возрастала гораздо меньшими темпами (примерно 7% в год). В то время, как производительность процессоров, начиная с 1987 г., увеличивалась на 50% в год.
Таким образом, согласование производительности современных процессоров со скоростью ОП вычислительных машин и систем остается одной из важнейших проблем. Методы повышения производительности за счет увеличения размеров КЭШ-памяти и введения многоуровневой организации КЭШ могут оказаться недостаточно эффективными с точки зрения стоимости системы.
Поэтому важным направлением современных разработок являются методы повышения пропускной способности памяти за счет ее организации, включая специальные методы организации динамических ЗУ.
3. Оперативная память
Оперативная память (system memory) - имеет относительно небольшую емкость - от 8 до 128 Мбайт (в некоторых машинах - больше). Количество и быстродействие оперативной памяти оказывает чрезвычайно серьезное воздействие на быстродействие современных компьютеров.
Работает на частоте системной шины. Время доступа к оперативной памяти составляет порядка 50-70 нс (для сравнения - время доступа к жестким магнитным дискам составляет десятки микросекунд). Доступ процессора к оперативной памяти происходит через кэш 2-го уровня.
Некоторые подсистемы компьютера способны обращаться к оперативной памяти напрямую, минуя процессор. Строится ОП как правило на DRAM Dynamic Random Access Memory) - динамических запоминающих устройствах случайного доступа.
DRAM (Dynamic RAM) - динамическая память - разновидность памяти, единичная ячейка которой представляет собой конденсатор с диодной конструкцией.
Наличие или отсутствие заряда конденсатора соответствует единице или нулю. Основной вид, применяемый для оперативной памяти, видеопамяти, а также различных буферов и кэшей более медленных устройств. По сравнению со SRAM заметно более дешевая, хотя и более медленная по двум причинам - емкость заряжается не мгновенно, и, кроме того, имеет ток утечки, что делает необходимой периодическую подзарядку.
SRAM (Static RAM) - статическая память - разновидность памяти, единицей хранения информации в которой является состояние «открыто-закрыто» в транзисторной сборке.
Используется преимущественно в качестве кэш-памяти 2-го уровня. Ячейка SRAM более сложна по сравнению с ячейкой DRAM, поэтому более высокое быстродействие SRAM компенсируется высокой ценой. Несмотря на низкое энергопотребление, является энергозависимой, то есть при отключении питания информация теряется.
ОП является наиболее дефицитным и наиболее важным ресурсом в вычислительных машинах и системах.
Проблема управления ОП усложняется при переходе к мультипрограммным системам, т. к. в них ОП используют одновременно несколько вычислительных процессов.
Для идентификации переменных и команд используют символьные имена (метки), виртуальные адреса и физические адреса.
Подобные документы
Внутренний кэш. Смешанная и разделенная кэш-память. Статическая и динамическая память. TLB как разновидность кэш-памяти. Организация кэш-памяти. Отображение секторов ОП в кэш-памяти. Иерархическая модель кэш-памяти. Ассоциативность кэш-памяти.
курсовая работа [229,1 K], добавлен 04.11.2006Хранение различной информации как основное назначение памяти. Характеристика видов памяти. Память типа SRAM и DRAM. Кэш-память или сверхоперативная память, ее специфика и области применения. Последние новинки разработок в области в оперативной памяти.
презентация [2,1 M], добавлен 01.12.2014Память для вычислительных систем ее создание и характеристика особенностей. Создание устройств памяти и основные эксплуатационные характеристики. Функциональные схемы и способ организации матрицы запоминающих элементов. Виды магнитной и флеш памяти.
презентация [184,9 K], добавлен 12.01.2009Физическая организация памяти компьютера. Организация структуры обработки потока данных. Степень и уровни параллелизма. Оценка иерархической организации памяти. Динамическая перестройка структуры. Микросхемы запоминающих устройств. Кэш-память процессора.
лекция [2,4 M], добавлен 27.03.2015Изучение понятия внутренней памяти компьютера, которая представлена в виде отдельных интегральных микросхем, выполняющих непосредственно функцию хранения программ и данных. Технологический цикл производства ИМС. Физическая организация внутренней памяти.
контрольная работа [35,1 K], добавлен 22.11.2010Память персонального компьютера, основные понятия. Характеристика внутренней и внешней памяти компьютера. Логическое отображение и размещение. Классификация компьютерной памяти по назначению, по удаленности и доступности для центрального процессора.
контрольная работа [1,8 M], добавлен 27.11.2010Используемые в компьютерах устройства памяти для хранения данных. Внутренние (оперативная и кэш-память) и внешние устройства памяти. Уровни иерархии во внутренней памяти. Подключения дисководов и управления их работой с помощью дискового контроллера.
презентация [47,7 K], добавлен 26.11.2009Изучение свойств оперативной памяти, являющейся функциональной частью цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде. Характеристика объема разных видов оперативной памяти.
реферат [24,0 K], добавлен 30.12.2010Физические типы запоминающих устройств, параметры их быстродействия и иерархия. Методы доступа к информации. Схемы ячеек основной памяти, механизм ее регенерации. Блочная организация и виды микросхем. Условия эффективности и характеристики кэш-памяти.
презентация [2,6 M], добавлен 14.12.2013Организация и основные характеристики основной памяти персонального компьютера. Запоминающие устройства ЭВМ как совокупность устройств, обеспечивающих хранение и передачу данных. Хранение и обработка информации. Основные виды памяти компьютера.
контрольная работа [52,0 K], добавлен 06.09.2009
