Внутренняя память: определение и назначение; типы (оперативная и постоянная); виды (динамическая и статическая)

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАЗАХСТАНСКО-АМЕРИКАНСКИЙ СВОБОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Информационная система»

Курсовая работа

На тему

«Внутренняя память: определение и назначение; типы (оперативная и постоянная); виды (динамическая и статическая)»

Выполнила студентка

Аблищева А.Д

Руководитель

Четтыкбаев Р.К

Усть - Каменногорск 2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения

Введение

Обозначения и сокращения

1. Внутренняя память

1.1 Виды оперативной памяти, их назначения и основные характеристики

1.2 Основные понятия BIOS

1.3 Основные понятия CMOS

2. Кэш-память

2.1 Определение и назначение кэш-памяти

2.2 Статическая и динамическая память

2.3 Иерархическая модель кэш-памяти

2.4 Типы подключения кэш-памяти

3. Сравнение модели DDR2 и DDR3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Обозначения и сокращения

ЭВМ - Электронная вычислительная машина

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство

ОЗУ - оперативных запоминающих устройствах

ОП - оперативная память

RAM - Random Access Memory

Dynamic RAM - DRAM - динамической оперативной памяти

Static RAM -- SRAM - статическая оперативная память

ZBT - Zero-Bus Turnaround - нуль-переключение шин

NoBL - No Bus Latency - шина без задержек

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерная память является одним из наиболее главных вопросов устройства компьютера, так как является важнейшей частью его устройства, а именно, компьютерная память обеспечивает поддержку одной из наиважнейшей функций современного компьютера, - способность длительного хранения информации или запоминающее устройство (ОЗУ). По определению, из книги "Информатика в понятиях и терминах", ОЗУ - "функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде".

Внутренняя память компьютера предназначена для оперативной обработки данных. Она является более быстрой, чем внешняя память, что соответствует принципу иерархии памяти, выдвинутому в проекте Принстонской машины. Следуя этому принципу, можно выделить уровни иерархии и во внутренней памяти.

Выделяют следующие виды внутренней памяти: оперативная - в нее помещаются программы для выполнения и данные для работы программы, которые используются микропроцессором. Она обладает большим быстродействием и является энергозависимой. Обозначается RAM - Random Access Memory -память с произвольным доступом. Кэш-память - (от англ. caсhe - тайник). Она служит буфером между RAM и микропроцессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций, т.к. является сверхбыстродействующей. В нее помещаются данные, которые процессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Эта память хранит копии наиболее часто используемых участков RAM. При обращении микропроцессора к памяти сначала ищутся данные в кэш-памяти, а затем, если остается необходимость, в оперативной памяти. Постоянная память - BIOS (Basic Input-Output System). В нее данные занесены при изготовлении компьютера. Обозначается ROM - Read Only Memory. Программы для проверки оборудования при загрузке операционной системы; программы начала загрузки операционной системы; программы по выполнению базовых функций по обслуживанию устройств компьютера; программу настройки конфигурации компьютера - Setup. Позволяет установить характеристики: типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет, режимы работы с RAM, запрос пароля при загрузке. Полупостоянная память - CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Хранит параметры конфигурации компьютера. Обладает низким энергопотреблением, потому не изменяется при выключении компьютера, так как питается от аккумулятора.

Таким образом, под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только "внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память". Итак, рассмотрим классификацию внутренней памяти компьютера.

1. Внутренняя память

1.1 Виды оперативной памяти, их назначения и основные характеристики

Внутренняя память состоит из микроскопических ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес, или номер. Элемент информации сохраняется в памяти с назначением ему некоторого адреса. Чтобы отыскать эту информацию, компьютер «заглядывает» в ячейку и копирует ее содержимое в свой «командный» пункт. Емкость отдельной ячейки памяти называется словом. Обычно длина слова для персонального компьютера составляет 16 двоичных цифр, или битов. Длина в 8 бит называется байтом. Типичные большие компьютеры оперируют словами длиной от 32 до 128 бит (от 4 до 16 байт), тогда как миникомпьютеры имеют дело со словами в 16-64 бит (2-8 байт). Микрокомпьютеры используют, как правило, слова длиной 8, 16 или 32 бит (1, 2 или 4 байт соответственно).

Существуют два основных класса внутренней памяти: оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ОЗУ работают быстро: микропроцессор может получать доступ к ним за 10-20 нс. Обычные коммерческие модули ОЗУ хранят до 256 Мб (1 Мб равен 1 048 576 байт). ОЗУ надежны и работают годами, выполняя миллиарды операций. ОЗУ помнят только то, что вы сообщили им в последний раз; все остальное стирается. При отключении энергии ОЗУ свою память теряет. В оперативной памяти во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.

Термин оперативная память часто обозначает не только микросхемы, которые составляют устройства памяти в системе, но включает и такие понятия, как логическое отображение и размещение. Логическое отображение - это способ представления адресов памяти на фактически установленных микросхемах. Размещение - это расположение информации (данных и команд) определенного типа по конкретным адресам памяти системы.

Центральный процессор компьютера связан с оперативной памятью. Основная оперативная память компонента полезна для хранения данных и программ, которые запускаются в центральном процессоре. В современных компьютерах оперативная память, как твердотельная память, присоединена к центральному процессору, и она использует шину памяти. Шину памяти также называют адресной шиной. В дополнение к оперативной памяти существует также кэш-память, которая содержит маленькие части памяти для их использования центральным процессором. Цель состоит в том, чтобы уменьшить время выборки, и, таким образом, ускорить работу центрального процессора. Кэш-память увеличивает производительность центрального процессора, воздействуя тем самым на работу компьютера. Вообще, оперативная память - это самая важная часть компьютерной памяти. Оперативная память сделана из интегрированных полупроводниковых микросхем.

Разумеется, чем большей оперативной памятью обладает персональный компьютер, тем больше его возможности для размещения и использования в своей работе программ и данных. Для увеличения объема оперативной памяти используются дополнительная память (Expanded Memory) на дополнительных платах, а также расширенная память (Extended Memory), которая обычно размещается прямо на материнской плате. При работе с дополнительной памятью процессор обращается к данным так, словно они расположены в обычной оперативной памяти объемом до 1 Мбайта, но при этом происходит переадресация в дополнительную память на дополнительной плате, которая может иметь емкость несколько мегабайт. Для работы с расширенной памятью процессор должен переходить из реального режима в защищенный (protected mode).

ПЗУ же запоминает практически навсегда. ПЗУ особенно удобны для задач, которые нуждаются в неоднократном повторении одного и того же набора команд. ПЗУ работают обычно медленнее, чем ОЗУ, но зато их память постоянна и помехоустойчива. Не все ПЗУ имеют абсолютно постоянную память. Некоторые ПЗУ обладают, так сказать, полупостоянной памятью, то есть они помнят (даже при отключенном питании), что им сообщалось, до тех пор, пока не подвергнутся стиранию и перезаписи. Стирание осуществляется путем экспозиции чипа в ультрафиолетовых лучах высокой интенсивности или другими способами, как в некоторых современных чипах памяти со стиранием и записью.

Внутренняя память реализуется с помощью набора микросхем, установленных на материнской плате. Она предназначена для хранения программ и данных, с которыми процессор непосредственно работает.

Память компьютера состоит из ячеек, местонахождение которых определяется уникальным адресом. В каждой ячейке хранится машинное слово, соответствующее какому либо данному или элементу программы. От разрядности машинного слова зависит объем внутренней памяти (количество ячеек).

Ёмкость памяти измеряется в килобайтах, мегабайтах и гигабайтах.

Кроме временных данных, которые определяются тем, что компьютер делает в настоящий момент, он должен знать и постоянно помнить некоторые стандартные программы и данные.

Например, компьютер должен знать, что ему делать после включения, где найти и прочитать операционную систему, которой будет передано управление компьютером, как выполнить конкретную операцию и пр. Причём выключение питания компьютера не должно приводить к потере этой важной информации.

Решение проблем хранения различных видов информации и надежного функционирования персонального компьютера привело к использованию нескольких видов внутренней памяти: оперативной, постоянной, кэш-памяти.

Оперативная память предназначена для временного хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Это энергозависимая память. Физически реализуется в модулях ОЗУ (оперативных запоминающих устройствах) различного типа. При выключении электропитания вся информация в оперативной памяти исчезает.

Объём хранящейся информации в ОЗУ составляет от 32 до 512 Мбайт и более. Занесение информации в память и её извлечение, производится по адресам. Каждый байт ОП имеет свой индивидуальный адрес (порядковый номер). Адрес - число, которое идентифицирует ячейки памяти (регистры). ОП состоит из большого количества ячеек, в каждой из которых хранится определенный объем информации. ОП непосредственно связана с процессором. Возможности ПК во многом зависят от объёма ОП.

Классификация оперативной памяти запоминающее устройство является одним из самых первых устройств вычислительной машины. Приведём некоторую классификацию ОЗУ по элементной базе и конструктивным особенностям.

ЭВМ первого поколения по элементной базе были крайне ненадежными. Так, среднее время работы до отказа для ЭВМ “ENIAC” составляла 30 минут. Скорость счета при этом была не сравнима со скоростью счета современных компьютеров. Поэтому требования к сохранению данных в памяти компьютера при отказе ЭВМ были строже, чем требования к быстродействию оперативной памяти. Вследствие этого в этих ЭВМ использовалась энергонезависимая память.

Энергонезависимая память позволяла хранить введенные в нее данные продолжительное время (до одного месяца) при отключении питания. Чаще всего в качестве энергонезависимой памяти использовались ферритовые сердечники. Они представляют собой тор, изготовленных из специальных материалов -- ферритов. Память на ферритовых сердечниках работала медленно и неэффективно: ведь на перемагничивание сердечника требовалось время и затрачивалось много электрической энергии. Поэтому с улучшением надежности элементной базы ЭВМ энергонезависимая память стала вытесняться энергозависимой -- более быстрой, экономной и дешевой. Тем не менее, ученые разных стран по-прежнему ведут работы по поиску быстрой энергозависимой памяти, которая могла бы работать в ЭВМ для критически важных приложений, прежде всего военных.

Рис.1- «Схема элемента памяти на ферритовых сердечниках»

Полупроводниковая память в отличие от памяти на ферритовых сердечниках полупроводниковая память энергозависимая. Это значит, что при выключении питания ее содержимое теряется. Преимуществами же полупроводниковой памяти перед ее заменителями являются:

· малая рассеиваемая мощность;

· высокое быстродействие;

· компактность.

Эти преимущества намного перекрывают недостатки полупроводниковой памяти, что делают ее незаменимой в ОЗУ современных компьютеров.

За несколько лет определение RAM (Random Access Memory) превратилось из обычной аббревиатуры в термин, обозначающий основное рабочее пространство памяти, создаваемое микросхемами динамической оперативной памяти (Dynamic RAM -- DRAM) и используемое процессором для выполнения программ. Одним из свойств микросхем DRAM (и, следовательно, оперативной памяти в целом) является динамическое хранение данных, что означает, во-первых, возможность многократной записи информации в оперативную память, а во-вторых, необходимость постоянного обновления данных (т. е., в сущности, их перезапись) примерно каждые 15 мс (миллисекунд). Также существует так называемая статическая оперативная память (Static RAM -- SRAM), не требующая постоянного обновления данных. Следует заметить, что данные сохраняются в оперативной памяти только при включенном питании.

Термин оперативная память часто обозначает не только микросхемы, которые составляют устройства памяти в системе, но включает и такие понятия, как логическое отображение и размещение. Логическое отображение -- это способ представления адресов памяти на фактически установленных микросхемах. Размещение -- это расположение информации (данных и команд) определенного типа по конкретным адресам памяти системы.

Новички часто путают оперативную память с памятью на диске, поскольку емкость устройств памяти обоих типов выражается в одинаковых единицах -- мега- или гигабайтах. Попытаемся объяснить связь между оперативной памятью и памятью на диске с помощью следующей простой аналогии.

Представьте себе небольшой офис, в котором некий сотрудник обрабатывает информацию, хранящуюся в картотеке. В нашем примере шкаф с картотекой будет выполнять роль жесткого диска системы, где длительное время хранятся программы и данные. Рабочий стол будет представлять оперативную память системы, которую в текущий момент обрабатывает сотрудник, -- его действия подобны работе процессора. Он имеет прямой доступ к любым документам, находящимся на столе. Однако, прежде чем конкретный документ окажется на столе, его необходимо отыскать в шкафу. Чем больше в офисе шкафов, тем больше документов можно в них хранить. Если рабочий стол достаточно большой, можно одновременно работать с несколькими документами.

Добавление к системе жесткого диска подобно установке еще одного шкафа для хранения документов в офисе -- компьютер может постоянно хранить большее количество информации. Увеличение объема оперативной памяти в системе подобно установке большего рабочего стола -- компьютер может работать с большим количеством программ и данных одновременно.

Впрочем, есть одно различие между хранением документов в офисе и файлов в компьютере: когда файл загружен в оперативную память, его копия все еще хранится на жестком диске. Обратите внимание: поскольку невозможно постоянно хранить файлы в оперативной памяти, все измененные после загрузки в память файлы должны быть вновь сохранены на жестком диске перед выключением компьютера. Если измененный файл не будет сохранен, то первоначальная копия файла на жестком диске останется неизменной.

Во время выполнения программы в оперативной памяти хранятся ее данные. Микросхемы оперативной памяти (RAM) иногда называют энергозависимой памятью: после выключения компьютера данные, хранимые в них, будут потеряны, если они предварительно не были сохранены на диске или другом устройстве внешней памяти. Чтобы избежать этого, некоторые приложения автоматически делают резервные копии данных.

Файлы компьютерной программы при ее запуске загружаются в оперативную память, в которой хранятся во время работы с указанной программой. Процессор выполняет программно-реализованные команды, содержащиеся в памяти, и сохраняет их результаты. Оперативная память хранит коды нажатых клавиш при работе с текстовым редактором, а также величины математических операций. При выполнении команды Сохранить (Save) содержимое оперативной памяти сохраняется в виде файла на жестком диске.

Физически оперативная память в системе представляет собой набор микросхем или модулей, содержащих микросхемы, которые обычно подключаются к системной плате. Эти микросхемы или модули могут иметь различные характеристики и, чтобы функционировать правильно, должны быть совместимы с системой, в которую устанавливаются.

В настоящее время новые типы памяти разрабатываются значительно быстро, и вероятность того, что в новые компьютеры нельзя будет установить память устаревшего типа, как никогда велика. Поэтому при замене системной платы зачастую приходится заменять и память.

Существует много различных видов оперативной памяти, но их все можно подразделить на две основные подгруппы - статическая память (Static RAM) и динамическая память (Dynamic RAM).

Эти два типа памяти отличаются, прежде всего, различной в корне технологической реализацией - SRAM будет хранить записанные данные до тех пор, пока не запишут новые или не отключат питание, а DRAM может хранить данные лишь небольшое время, после которого данные нужно восстановить (регенерировать), иначе они будут потеряны.

Рассмотрим достоинства и недостатки SRAM и DRAM:

Память типа DRAM, в силу своей технологии, имеет гораздо большую плотность размещения данных, чем SRAM.

DRAM гораздо дешевле SRAM, но последняя производительнее и надежнее, поскольку всегда готова к считыванию.

Статистическая память SRAM в современных компьютерах используется как кэш второго уровня и имеет сравнительно небольшой объем (обычно 128...1024 Кб). В кэше она используется именно потому, что к нему предъявляются очень серьезные требования в плане надежности и производительности. Основную же память компьютера составляют микросхемы динамической памяти.

Статическую память делят на синхронную и асинхронную. Асинхронная память уже не используется в персональных компьютерах, она была вытеснена синхронной еще со времен 486-ых компьютеров.

Применение статической памяти не ограничивается кэш-памятью в персональных компьютерах. Серверы, маршрутизаторы, глобальные сети, RAID-массивы, коммутаторы - вот устройства, где необходима высокоскоростная SRAM.

SRAM - очень модифицируемая технология - существует множество ее типов, которые отличаются электрическими и архитектурными особенностями. В обычной синхронной SRAM происходит небольшая задержка, когда память переходит из режима чтения в режим записи.

Поэтому в 1997 г. несколько компаний представили свои технологии статической RAM без такой задержки. Это технологии ZBT (Zero-Bus Turnaround - нуль-переключение шины) SRAM от IDT, и похожая NoBL (No Bus Latency - шина без задержек) - SRAM от Cypress Semiconductor. ZBT SRAM, хотя и не стала стандартом де-факто, но получила широкое применение, так как этот стандарт поддерживают такие компании, как IDT, Micron, Motorola и IBM.

Динамическая память типа DRAM гораздо шире распространена в вычислительной технике благодаря двум своим достоинствам перед SRAM - дешевизне и плотности хранения данных. Эти две характеристики динамической памяти компенсируют в некоторой степени ее недостатки - невысокое быстродействие и необходимость в постоянной регенерации данных.

Сейчас существуют около 25-ти разновидностей DRAM, так как производители и разработчики памяти пытаются угнаться за прогрессом в области центральных процессоров.

Ниже приведены основные типы динамической памяти - от старых Conventional и FPM DRAM до еще не воплощенных в жизнь QDR, DDR SDRAM, RDRAM.

Page Mode DRAM (память со страничным доступом) (PM DRAM (Conventional DRAM)) первыми микросхемами динамической памяти, запущенными в производство, были так называемые Page Mode DRAM, или обычная память. Этот тип DRAM осуществляет чтение каждой ячейки памяти за 5 тактов. Каждая ячейка в обычной памяти читается/записывается независимо от другой. Память этого типа уже вряд ли можно встретить в персональных компьютерах, разве что в стареньких двойках и тройках.

FPM - Fast Page Mode DRAM (память с быстрым страничным доступом) многие путают этот вид памяти с предыдущим и называют FPM DRAM - "обычной памятью". Отличие FPM от просто PM DRAM состоит в том, что введена укороченная схема считывания данных после первой ячейки, то есть первая ячейка будет считыватся за 5 тактов, а остальные - за Этот вид DRAM можно встретить в основном в 486-ых и в ранних компьютерах класса Pentium.

EDO - Extended Data Out (память с усовершенствованным выходом данных) мало чем отличается от FPM - схема считывание данных была еще укорочена, при этом достижимой стало считывание последующих за первой ячеек за 3 такта системной шины. Большим достоинством этой памяти является ее обратная совместимость с FPM, то есть, если чипсет не поддерживает данный вид памяти, то EDO будет работать как FPM DRAM. До сих пор память типа EDO доступна на мировом рынке оперативной памяти. Эта память имеет спрос, так как это последний тип памяти, выпускаемый под устаревшие разъемы типа SIMM. Хотя EDO RAM выпускалась и в модулях DIMM, она была вытеснена SDRAM-памятью. Память типа EDO можно встретить в 486-ых машинах и в машинах класса Pentium 60...233.

BEDO - Burst EDO (пакетная EDO-память) содержала в себе очень хорошую идею - скапливать данные в тактовые пакеты. Практическая реализация тоже не дала маху - все следующие за первой ячейки считывались за один такт. Но была одна проблема - BEDO вышла слишком поздно и она, как и EDO имела "потолок частоты" в 66МГц, а в то время уже намечался переход на 100МГц. А так как для BEDO нужен был специальный контроллер, то ради технологии без будущего материнскую плату менять никто не хотел... Хотя все же BEDO RAM использовалась в системах на базе Pentium Pro.

Это была системная память прошлого, давайте теперь рассмотрим технологии настоящего и будущего.

Synchronous DRAM (синхронная динамическая память) SDRAM синхронизирована с системным таймером, управляющим центральным процессором. Системные "часы" управляют работой SDRAM, уменьшая задержки в процессе ожидания и существенно сокращая время, требуемое на поиск данных в памяти. То есть, скорость доступа увеличивается благодаря тому, что данные доступны во время каждого такта таймера и благодаря программируемому пакетному режиму передачи данных. Получается, что SDRAM работает по одинаковой с BEDO RAM схеме (первая ячейка - 5 тактов, остальные - 1), но первая имеет ряд преимуществ, самым главным из которых является то, что она работает на частоте 100МГц и выше. Вот уже полтора года SDRAM является стандартом для настольных систем. Она выпускается исключительно в модулях DIMM. Найти этот вид памяти можно сейчас везде. Модули SDRAM, на данный момент имеют несколько спецификаций - это РС66, PC100 и PC133. Эти спецификации означают пригодность модулей SDRAM для работы соответственно с системной шиной 66, 100 и 133МГц. На практике же обычные, РС66 DIMM могут работать на 100МГц, а РС100 - на 133. SDRAM также широко используется в графических адаптерах.

1.2 Основные понятия BIOS

BIOS - Базовая система ввода-вывода (Basic Input Output System) называется так потому, что включает в себя обширный набор программ ввода вывода, благодаря которым операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными устройствами как самого компьютера, так и подключоными к нему. В PS система BIOS занимает особое место. С одной стороны, ее можно рассматривать как составную часть аппаратных средств, с другой стороны, она является как бы одним из программных модулей операционной системы.

Большинство современных видеоадаптеров, а также контроллеры накопителей имеют собственную систему BIOS, которая обычно дополняет системную. Во многих случаях программы, входящие в конкретную BIOS, заменяют соответствующие программные модули основной BIOS. Вызов программ BIOS, как правило, осуществляется через программные или аппаратные прерывания.

Заметим, что система BIOS помимо программ взаимодействия с аппаратными средствами на физическом уровне содержит программу тестирования при включении питания компьютера POST (Power-On-Self-Test, Самотестирование при включении питания компьютера). Тестируются основные компоненты, такие как процессор, память, вспомогательные микросхемы, приводы дисков, клавиатуру и видеоподсистему. Если при включении питания компьютера возникают проблемы (BIOS не может выполнить начальный тест), вы услышите последовательность звуковых сигналов.

Если вы сталкиваетесь с чем-либо подобным, существует высокая вероятность того, что эта проблема связана с аппаратными средствами.

Система BIOS в PS реализована в виде одной микросхемы, установленной на материнской плате компьютера. Заметим, что название ROM BIOS в настоящее время не совсем справедливо, ибо «ROM» - предполагает использование постоянных запоминающих устройств (ROM - Read Only Memory), а для хранения кодов BIOS в настоящее время применяются в основном перепрограммируемые (стираемые электрически или с помощью ультрафиолетового излучения) запоминающие устройства. Мало того, наиболее перспективным для хранения системы BIOS является сейчас флэш-память. Это позволяет легко модифицировать старые или добавлять дополнительные функции для поддержки новых устройств, подключаемых к компьютеру.

Поскольку содержимое ROM BIOS фирмы IBM было защищено авторским правом, то есть его нельзя подвергать копированию, то большинство других производителей компьютеров вынуждены были использовать микросхемы BIOS независимых фирм, системы BIOS которых, разумеется, были практически полностью совместимы с оригиналом.

Заметим, что конкретные версии BIOS неразрывно связаны с набором микросхем (chipset), используемым на системной плате. Кстати, компания Phoenix Technologies считается пионером в производстве лицензионно-чистых BIOS.

Именно в них впервые были реализованы такие функции, как задание типа жесткого диска, поддержка привода флоппи-дисков емкостью 1,44 Мбайта и т.д. Более того, считается, что процедура POST этих BIOS имеет самую мощную диагностику. Справедливости ради надо отметить, что BIOS компании AMI наиболее распространены. По некоторым данным, AMI занимает около 60% этого сегмента рынка. Кроме того, из программы Setup AMI BIOS можно вызвать несколько утилит для тестирования основных компонентов системы и работы с накопителями. Однако при их использовании особое внимание следует обратить на тип интерфейса, который использует привод накопителя.

Система BIOS в компьютерах, неразрывно связана с SMOS RAM. Под этим понимается «неизменяемая» память, в которой хранится информация о текущих показаниях часов, значении времени для будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти, типах накопителей и т.д. Именно в этой информации нуждаются программные модули системы BIOS. Своим названием SMOS RAM обязана тому, что эта память выполнена на основе КМОП-струкгур (CMOS-Complementary Metal Oxide Semiconductor), которые, как известно, отличаются малым энергопотреблением. Заметим, что CMOS-память энергонезависима только постольку, поскольку постоянно подпитывается, например, от аккумулятора, расположенного на системной плате, или батареи гальванических элементов, как правило, смонтированной на корпусе системного блока. Заметим, что большинство системных плат допускают питание CMOS RAM как от встроенного, так и от внешнего источника.

Заметим, что в случае повреждения микросхемы CMOS RAM (или разряде батареи или аккумулятора) программа Setup имеет возможность воспользоваться некой информацией по умолчанию (BIOS Setup Default Values), которая хранится в таблице соответствующей микросхемы ROM BIOS. Кстати, на некоторых материнских платах питание микросхемы CMOS RAM может осуществляться как от внутреннего, так и от внешнего источника. Выбор определяется установкой соответствующей перемычки.

Программа Setup поддерживает установку нескольких режимов энергосбережения, например Doze (дремлющий), Standby (ожидания, или резервный) и Suspend (приостановки работы). Данные режимы перечислены в порядке возрастания экономии электроэнергии. Система может переходить в конкретный режим работы по истечении определенного времени, указанного в Setup. Кроме того, BIOS обычно поддерживает и спецификацию АРМ (Advanced Power Management). Как известно, впервые ее предложили фирмы Microsoft и Intel. В их совместном документе содержались основные принципы разработки технологии управления потребляемой портативным компьютером мощностью.

Напомним, что задание полной конфигурации компьютера осуществляется не только установками из программы Setup, но и замыканием (или размыканием) соответствующих перемычек на системной плате. Назначение каждой из них указано в соответствующей документации.

Сразу после включения компьютера начинают "тикать" электронные часы основной шины. Их импульсы расталкивают заспавшийся процессор, и тот может начинать работу. Но для работы процессора нужны команды.

Точнее говоря, нужны программы, потому что программы -- это и есть упорядоченные наборы команд. Таким образом, где-то в компьютере должна быть заранее, заготовлена пусковая программа, а процессор в момент пробуждения должен твердо знать, где она лежит.

Хранить эту программу на каких-либо носителях информации нельзя, потому что в момент включения процессор ничего не знает ни о каких устройствах. Чтобы он о них узнал, ему тоже нужна какая-то программа, и мы возвращаемся к тому, с чего начали. Хранить ее в оперативной памяти тоже нельзя, потому что в ней в обесточенном состоянии ничего не хранится.

Выход здесь существует один-единственный. Такую программу надо создать аппаратными средствами. Для этого на материнской плате имеется специальная микросхема, которая называется постоянным запоминающим устройством -- ПЗУ. Еще при производстве в нее "зашили" стандартный комплекс программ, с которых процессор должен начинать работу. Этот комплекс программ называется базовой системой ввода-вывода.

По конструкции микросхема ПЗУ отличается от микросхем оперативной памяти, но логически это те же самые ячейки, в которых записаны какие-то числа, разве что не стираемые при выключении питания. Каждая ячейка имеет свой адрес.

После запуска процессор обращается по фиксированному адресу (всегда одному и тому же), который указывает именно на ПЗУ. Отсюда и поступают первые данные и команды. Так начинается работа процессора, а вместе с ним и компьютера. На экране в этот момент мы видим белые символы на черном фоне.

Одной из первых исполняется подпрограмма, выполняющая самотестирование компьютера. Она так и называется: Тест при включении (по-английски -- POST -- Power-On Self Test). В ходе ее работы проверяется многое, но на экране мы видим только, как мелькают цифры, соответствующие проверенным ячейкам оперативной памяти.

1.3 Основные понятия CMOS

Программных средств BIOS достаточно, чтобы сделать первичные проверки и подключить стандартные устройства, такие как клавиатура и монитор. Слово стандартные мы выделили специально. Дело в том, что монитор и клавиатура у вас могут быть очень даже нестандартными. Но на данном этапе это не имеет значения -- просто компьютер пока рассматривает их как стандартные. Ему еще не ведомы все их свойства, и он полагает, что клавиатура и монитор у нас такие, какие были в ходу двадцать лет назад, во времена первых компьютеров. Этим обеспечивается гарантия того, что вы хоть что-то увидите на экране, вне зависимости от той модели монитора, какая имеется в вашем распоряжении. BIOS предполагает, что монитор у нас черно-белый -- именно поэтому первые сообщения на экранет проходят в черно-белом режиме.

Однако долго работать лишь только со стандартными устройствами компьютер не может. Ему пора бы узнать о том, что у него есть на самом деле. Истинная информация об устройствах компьютера записана на жестком диске, но и его еще надо научиться читать. У каждого человека может быть свой жесткий уникальный диск, не похожий на другие. Спрашивается, откуда программы BIOS узнают, как работать именно с вашим жестким диском?

Для этого на материнской плате есть еще одна микросхема -- CMOS-память. В ней сохраняются настройки, необходимые для работы программ BIOS. В частности, здесь хранятся текущая дата и время, параметры жестких дисков и некоторых других устройств. Эта память не может быть ни оперативной (иначе она стиралась бы), ни постоянной (иначе в нее нельзя было бы вводить данные с клавиатуры). Она сделана энергонезависимой и постоянно подпитывается от небольшой аккумуляторной батарейки, тоже размещенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает, чтобы компьютер не потерял настройки, даже если его не включать несколько лет.

Настройки CMOS, в частности, необходимы для задания системной даты и системного времени, при установке или замене жестких дисков, а также при выходе из большинства аварийных ситуаций. Настройкой BIOS можно, например, задать пароль, благодаря которому посторонний человек не сможет запустить компьютер. Впрочем, эта защита эффективна только от очень маленьких детей.

Для изменения настроек, хранящихся в CMOS-памяти, в ПЗУ содержится специальная программа -- SETUP. Чтобы ее запустить, надо в самый первый момент после запуска компьютера нажать и удерживать клавишу DELETE. Навигацию в системе меню программы SETUP выполняют с помощью клавиш управления курсором. Нужные пункты меню выбирают клавишей ENTER, а возврат в меню верхнего уровня -- клавишей ESC. Для изменения установленных значений служат клавиши Page Up и Page Down.

2. Кэш-памятЬ

2.1 Определение и назначение кэш-памяти

Кэш-память -- это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды «ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить

Кэш-память напрямую влияет на скорость вычислений и помогает процессору работать с более равномерной загрузкой. Представьте себе массив информации, используемой в вашем офисе. Небольшие объемы информации, необходимой в первую очередь, скажем список телефонов подразделений, висят на стене над вашим столом. Точно так же вы храните под рукой информацию по текущим проектам. Реже используемые справочники, к примеру, городская телефонная книга, лежат на полке, рядом с рабочим столом. Литература, к которой вы обращаетесь совсем редко, занимает полки книжного шкафа.

Компьютеры хранят данные в аналогичной иерархии. Когда приложение начинает работать, данные и команды переносятся с медленного жесткого диска в оперативную память произвольного доступа (Dynamic Random Access Memory -- DRAM), откуда процессор может быстро их получить. Оперативная память выполняет роль кэша для жесткого диска.

Для достаточно быстрых компьютеров (например, на основе intel-80386 с тактовой частотой более 25 мгц или intel-80486) необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. "сверхоперативной" памятью относительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 кбайт), в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти.

Кэш-память располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Для компьютеров на основе intel-80386dx или 80486sx размер кэш-памяти в 64 кбайт является удовлетворительным, 128 кбайт - вполне достаточным. Компьютеры на основе intel-80486dx и dx2 обычно оснащаются кэш-памятью емкостью 256 кбайт.

Хотя оперативная память намного быстрее диска, тем не менее и она не успевает за потребностями процессора. Поэтому данные, которые требуются часто, переносятся на следующий уровень быстрой памяти, называемой кэш-памятью второго уровня. Она может располагаться на отдельной высокоскоростной микросхеме статической памяти (SRAM), установленной в непосредственной близости от процессора (в новых процессорах кэш-память второго уровня интегрирована непосредственно в микросхему процессора.

На более высоком уровне информация, используемая чаще всего (скажем, команды в многократно выполняемом цикле), хранится в специальной секции процессора, называемой кэш-памятью первого уровня. Это самая быстрая память.

Процессор Pentium III компании Intel имеет кэш-память первого уровня емкостью 32 Кбайт на микросхеме процессора и либо кэш-память второго уровня емкостью 256 Кбайт на микросхеме, либо кэш-память второго уровня емкостью 512 Кбайт, не интегрированную с процессором.

Когда процессору нужно выполнить команду, он сначала анализирует состояние своих регистров данных. Если необходимых данных в регистрах нет, он обращается к кэш-памяти первого уровня, а затем -- к кэш-памяти второго уровня. Если данных нет ни в одной кэш-памяти, процессор обращается к оперативной памяти. И только в том случае, если нужных данных нет и там, он считывает данные с жесткого диска.

Когда процессор обнаруживает данные в одном из кэшей, это называют «попаданием»; неудачу называют «промахом». Каждый промах вызывает задержку, поскольку процессор будет пытаться обнаружить данные на другом, более медленном уровне. В хорошо спроектированных системах с программными алгоритмами, которые выполняют предварительную выборку данных до того, как они потребуются, процент «попаданий» может достигать 90.

Для процессоров старшего класса на получение информации из кэш-памяти первого уровня может уйти от одного до трех тактов, а процессор в это время ждет и ничего полезного не делает. Скорость доступа к данным из кэш-памяти второго уровня, размещаемой на процессорной плате, составляет от 6 до 12 циклов, а в случае с внешней кэш-памятью второго уровня -- десятки или даже сотни циклов.

Кэш-память для серверов даже более важна, чем для настольных ПК, поскольку серверы поддерживают между процессором и памятью весьма высокий уровень трафика, генерируемого клиентскими транзакциями. В 1991 году Intel превратила ПК на базе процессора 80486 с тактовой частотой 50 МГц в сервер, добавив на процессорную плату кэш с тактовой частотой 50 МГц. Хотя шина, связывающая процессор и память, работала с частотой всего 25 МГц, такая кэш-память позволила многие программы во время работы полностью размещать в процессоре 486 с тактовой частотой 50 МГц.

Иерархическая организация памяти помогает компенсировать разрыв между скоростями процессоров, ежегодно увеличивающимися примерно на 50% в год, и скоростями доступа к DRAM, которые растут лишь на 5%. Как считает Джон Шен, профессор Университета Карнеги-Меллона, по мере усиления этого диссонанса производители аппаратного обеспечения добавят третий, а возможно и четвертый уровень кэш-памяти.

Действительно, уже в этом году Intel намерена представить кэш-память третьего уровня в своих 64-разрядных процессорах Itanium. Кэш емкостью 2 или 4 Мбайт будет связан с процессором специальной шиной, тактовая частота которой совпадает с частотой процессора.

IBM также разработала собственную кэш-память третьего уровня для 32- и 64-разрядных ПК-серверов Netfinity. По словам Тома Бредикича, директора по вопросам архитектуры и технологий Netfinity, сначала кэш будет размещаться на микросхеме контроллера памяти, выпуск которой начнется к концу следующего года.

Кэш-память третьего уровня корпорации IBM станет общесистемным кэшем, куда смогут обращаться от 4 до 16 процессоров сервера. С кэш-памятью третьего уровня Intel сможет работать только тот процессор, к которому она подключена, но представители IBM подчеркнули, что их кэш третьего уровня способен увеличить пропускную способность всей системы. Бредикич отметил, что новая кэш-память производства IBM также поможет реализовать компьютерные системы высокой готовности, необходимые для электронной коммерции, поскольку с ее помощью можно будет менять модули основной памяти и выполнять модернизацию, не прерывая работу системы.

Внутренне кэширование обращений к памяти применяется в процессорах, начиная с 486-го. С кэшированием связаны новые функции процессоров, биты регистров и внешние сигналы.

Процессоры 486 и Pentium имеют внутренний кэш первого уровня, в Pentium Pro и Pentium II имеется и вторичный кэш. Процессоры могут иметь как единый кэш инструкций и данных, так и общий. Выделенный кэш инструкций обычно используется только для чтения. Для внутреннего кэша обычно используется наборно-ассоциативная архитектура.

Строки в кэш-памяти выделяются только при чтении, политика записи первых процессоров 486 - только Write Through (сквозная запись) - полностью программно-прозрачная. Более поздние модификации 486-го и все старшие процессоры позволяют переключаться на политику Write Back (обратная запись).

Работу кэша рассмотрим на примере четырехканального наборно-ассоциативного кэша процессора 486, его физическая структура приведена на рис.2. Кэш является несекторированным - каждый бит достоверности (Valid bit) относится к целой строке, так что стока не может являться “частично достоверной”.

Работу внутренней кэш-памяти характеризуют следующие процессы: обслуживание запросов процессора на обращение к памяти, выделение и замещение строк для кэширования областей физической памяти, обеспечение согласованности данных внутреннего кэша и оперативной памяти, управление кэшированием.

Любой внутренний запрос процессора на обращение к памяти направляется на внутренний кэш. Теги четырех строк набора, который обслуживает данный адрес, сравниваются со старшими битами запрошенного физического адреса. Если адресуемая область представлена в строке кэш-памяти (случая попадания -cache hit), запрос на чтение обслуживается только кэш-памятью, не выходя на внешнюю шину. Запрос на запись модифицирует данную строку, и в зависимости от политики записи либо сразу выходит на внешнюю шину (при сквозной записи), либо несколько позже (при использовании алгоритма обратной записи).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2 - «Структура первичного кэша процессора 486»