Память вычислительных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Принципы обмена информацией между иерархическими уровнями подсистемы памяти.

2. Основные функции и основные подсистемы вычислительной системы.

3. Принцип действия ассоциативной кэш-памяти.

4. Реализация прерываний от периферийных устройств, подключенных через последовательный интерфейс.

5. Что такое кольца защиты?

6. Что такое сегментация оперативной памяти?

7. Основные особенности видеоданных. Матричное и графическое представление видеоинформации.

8. Что такое файл? Различия между файлом и каталогом.

9. Основные стадии конвейера современных процессоров.

10. Что такое переименование регистров?

Вопрос № 1. Принципы обмена информацией между иерархическими уровнями подсистемы памяти

В основе реализации иерархии памяти современных компьютеров лежат два принципа: принцип локальности обращений и соотношении стоимость/ прозводительность. Принцип локальности обращений говорит о том, что большинство программ к счастью не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.

Иерархия памяти современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем более высокий уровень меньше по объему, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на байт, 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 так далее, пока мы не достигнем основания иерархии.

Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени мы имеем дело только с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком. Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.

Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются соответственно попаданием (hit) или промахом (miss). Попадание - есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне. Доля попаданий (hit rate) или коэффициент попаданий (hit ratio) есть доля обращений, найденных на более высоком уровне. Иногда она представляется процентами. Доля промахов (miss rate) есть доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.

Поскольку повышение производительности является главной причиной появления иерархии памяти, частота попаданий и промахов является важной характеристикой. Время обращения при попадании (hit time) есть время обращения к более высокому уровню иерархии, которое включает в себя, в частности, и время, необходимое для определения того, является ли обращение попаданием или промахом. Потери на промах (miss penalty) есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство (обычно в процессор). Потери на промах далее включают в себя две компоненты: время доступа (access time) - время обращения к первому слову блока при промахе, и время пересылки (transfer time) - дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней.

Вопрос № 2. Основные функции и основные подсистемы вычислительной системы

ОС - это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для повышения эффективности аппаратуры компьютера путем рационального управления его ресурсами, а также для обеспечения удобств пользователю путем предоставления ему расширенной виртуальной машины. К числу основных ресурсов, управление которыми осуществляет ОС, относятся процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Для решения задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС. Наиболее важными подсистемами ОС являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а также подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.

Основные функции:

* Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).

* Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.

* Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

* Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).

* Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.

* Обеспечение пользовательского интерфейса.

* Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.

Дополнительные функции:

* Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).

* Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.

* Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.

* Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация. Процесс -- это динамический объект, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или сама операционная система решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы. Пользователь -- лицо или организация, которое использует действующую систему для выполнения конкретной функции. Файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Основными целями использования файлов являются: долговременное и надежное хранение информации, а также совместный доступ к данным.

Вопрос № 3. Принцип действия ассоциативной кэш-памяти

В ассоциативной памяти элементы выбираются не по адресу, а по содержимому. Поясним последнее понятие более подробно. Для памяти с адресной организацией было введено понятие минимальной адресуемой единицы (МАЕ) как порции данных, имеющей индивидуальный адрес. Введем аналогичное понятие для ассоциативной памяти, и будем эту минимальную единицу хранения в ассоциативной памяти называть строкой ассоциативной памяти (СтрАП). Каждая СтрАП содержит два поля: поле тега (англ. tag - ярлык, этикетка, признак) и поле данных. Запрос на чтение к ассоциативной памяти словами можно выразить следующим образом: выбрать строку (строки), у которой (у которых) тег равен заданному значению.

Особо отметим, что при таком запросе возможен один из трех результатов:

1. имеется в точности одна строка с заданным тегом;

2. имеется несколько строк с заданным тегом;

3. нет ни одной строки с заданным тегом.

Поиск записи по признаку - это действие, типичное для обращений к базам данных, и поиск в базе зачастую является ассоциативным поиском. Для выполнения такого поиска следует просмотреть все записи и сравнить заданный тег с тегом каждой записи. Это можно сделать и при использовании для хранения записей обычной адресуемой памяти (и понятно, что это потребует достаточно много времени - пропорционально количеству хранимых записей!). Об ассоциативной памяти говорят тогда, когда ассоциативная выборка данных из памяти поддержана аппаратно. При записи в ассоциативную память элемент данных помещается в СтрАП вместе с присущим этому элементу тегом. Для этого можно использовать любую свободную СтрАП.

В начале работы КЭШ-память пуста. При выполнении первой же команды во время выборки ее код, а также еще несколько соседних байтов программного кода, - будут перенесены (медленно) в одну из строк КЭШа, и одновременно старшая часть адреса будет записана в соответствующий тег. Так происходит заполнение КЭШ-строки.

Если следующие выборки возможны из этого участка, они будут сделаны уже из КЭШа (быстро) - "КЭШ-попадание". Если же окажется, что нужного элемента в КЭШе нет, - "КЭШ-промахом". В этом случае обращение происходит к ОЗУ (медленно), и при этом одновременно заполняется очередная КЭШ-строка.

Обращение к КЭШу происходит следующим образом. После формирования исполнительного адреса его старшие биты, образующие тег, аппаратно (быстро) и одновременно сравниваются с тегами всех КЭШ-строк. При этом возможны только две ситуации из трех, перечисленных ранее: либо все сравнения дадут отрицательный результат (КЭШ-промах), либо положительный результат сравнения будет зафиксирован в точности для одной строки (КЭШ-попадание).

При считывании, если зафиксировано КЭШ-попадание, младшие разряды адреса определяют позицию в КЭШ-строке, начиная с которой следует выбирать байты, а тип операции определяет количество байтов. Очевидно, что если длина элемента данных превышает один байт, то возможны ситуации, когда этот элемент (частями) расположен в двух (или более) разных КЭШ-строках, тогда время на выборку такого элемента увеличится. Противодействовать этому можно, выравнивая операнды и команды по границам КЭШ-строк, что и учитывают при разработке оптимизирующих трансляторов или при ручной оптимизации кода.

Если произошел КЭШ-промах, а в КЭШе нет свободных строк, необходимо заменить одну строку КЭШа на другую строку.

Основная цель стратегии замещения - удерживать в КЭШ-памяти строки, к которым наиболее вероятны обращения в ближайшем будущем, и заменять строки, доступ к которым произойдет в более отдаленном времени или вообще не случится. Очевидно, что оптимальным будет алгоритм, который замещает ту строку, обращение к которой в будущем произойдет позже, чем к любой другой строке-КЭШ.

Вопрос № 4. Реализация прерываний от периферийных устройств, подключенных через последовательный интерфейс

Последовательный интерфейс для передачи данных в одну сторону использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Такой способ передачи определяет название интерфейса и порта, его реализующего (Serial Interface и Serial Port). Последовательная передача данных может осуществляться в синхронном и асинхронном режимах.

При асинхронной передачи каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале очередной посылки, за которой следуют биты данных или бит паритета (конроля четности). Завершает посылку стоп-бит.

Формат асинхронной посылки позволяют выявить возможные ошибки передачи.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым плотно следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. При передаче больших массивов данных накладные расходы на синхронизацию в данном режиме необходима будет ниже, чем в асинхронном.

Прерывание (англ. interrupt) -- сигнал, сообщающий процессору о совершении какого-либо асинхронного события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, и управление переда?тся обработчику прерывания, который выполняет работу по обработке события и возвращает управление в прерванный код. Виды прерываний: Аппаратные (англ. IRQ - Interrupt Request) -- события от периферийных устройств (например, нажатия клавиш клавиатуры, движение мыши, сигнал от таймера, сетевой карты или дискового накопителя) -- внешние прерывания, или события в микропроцессоре -- (например, деление на ноль) -- внутренние прерывания; Программные -- инициируются выполняемой программой, т.е. уже синхронно, а не асинхронно. Программные прерывания могут служить для вызова сервисов операционной системы.

Прерывания требуют приостановки выполнения текущего потока инструкций (с сохранением состояния) и запуска исполнения процедуры-обработчика прерывания ISR (Interrupt Service Routine). Эта процедура первым делом должна идентифицировать источник прерывания (а их может быть и несколько), затем выполнить действия, связанные с реакцией на событие. Если события должны вызывать некоторые действия прикладной программы, то обработчику прерывания следует только подать сигнал (через ОС), запускающий (или пробуждающий) поток инструкций, выполняющий эти действия. Собственно процедура ISR должна быть оптимизирована по затраченному времени. Обслуживание прерываний, особенно в защищенном режиме, в PC-совместимых компьютерах на процессорах x86 связано со значительными накладными расходами. По этой причине их число стараются сократить. Значительные хлопоты доставляет идентификация источника прерывания -- в архитектуре PC-совместимых компьютеров для этого используются традиционные, но неэффективные механизмы. В ряде случаев прерывания от устройств заменяют поллингом -- программно-управляемым опросом состояния устройств. При этом состояния множества устройств опрашивают по прерыванию от таймера.

Вопрос № 5. Что такое кольца защиты?

Кольца защиты - архитектура информационной безопасности и функциональной отказоустойчивости, реализующая аппаратное разделение системного и пользовательского уровней привилегий. Структуру привилегий можно изобразить в виде нескольких концентрических кругов. В этом случае системный режим (режим супервизора или нулевое кольцо, т.н. «кольцо 0»), обеспечивающий максимальный доступ к ресурсам, является внутренним кругом , тогда как режим пользователя с ограниченным доступом - внешним. Традиционно семейство микропроцессоров х86 обеспечивает 4 кольца защиты.

Поддержка нескольких колец защиты была одной из революционных концепций, включенных в операционную систему Multics, предшественника сегодняшних UNIX-подобных операционных систем.

Оригинальная система Multics имела 8 колец защиты, но многие современные системы имеют как правило меньше. Процессор всегда знает в каком кольце исполняется код, благодаря специальным машинным регистрам.

Механизм колец строго ограничивает пути, с помощью которых управление можно передать от одного кольца к другому. Существует некоторая инструкция, которая передает контроль из менее защищенного в более защищенное (с меньшим номером) кольцо. Этот механизм разработан для того, чтобы ограничить возможности случайного или намеренного нарушения безопасности.

Эффективное использование архитектуры защиты колец требует тесного взаимодействия между аппаратными средствами и операционной системой. Операционные системы разрабатывающиеся так, чтобы они работали на большом кол-ве платформ могут иметь различную реализацию механизма колец на каждой платформе.

Вопрос № 6. Что такое сегментация оперативной памяти?

Сегментация (segmentation) - это прием организации программ, при котором адресная структура программы отражает ее содержательное членение. При сегментации пространство адресов каждой программы подразделяется на сегменты различной длины, которые соответствуют содержательно разным частям программы. Например, сегментом может быть процедура или область данных. В этом случае адрес состоит из имени сегмента и адреса внутри сегмента -смещения. Поскольку к программным сегментам обращаются по именам, можно при распределении памяти размещать сегменты в несмежных областях памяти, более того, не все сегменты должны одновременно находится в ОП, часть из них может находится во внешней памяти и преемещаться в ОП по мере необходимости.

Как уже указывалось, в системе с сегментацией каждый адрес представляет пару [s,d]: s - имя сегмента и d - смещение. Каждой программе соответствует всегда присутствующая в памяти таблица сегментов, в которой каждому сегменту данного процесса соответствует одна запись. С помощью этой таблицы система отображает программные адреса в истинные адреса ОП. Адрес таблицы хранится в аппаратном регистре, называемом регистром таблицы сегментов.

Вычисление адреса при сегментации производится следующим образом. Прежде чем система сможет вычислить адрес, аппаратным путем проверяется признак присутствия сегмента в ОП. Если сегмент присутствует, то с помощью регистра таблицы сегментов производится обращение к s-ой строке таблицы сегментов, где указан адрес сегмента в памяти. Поскольку сегменты бывают различной длины, необходимо знать границу сегмента для предотвращения обращения за пределы заданного сегмента.

Если в какой-то момент система пожелает переключить свое внимание на другой процесс, она просто заменят содержимое регистра таблицы сегментов на адрес другой таблицы сегментов, после чего ссылки вида [s,d] интерпретируются в соответствии с новой таблицей.

У сегментации пространства адресов множество преимуществ по сравнению с абсолютной адресацией, и главное - это эффективное использование оперативной памяти. Если в ОП недостаточно места для всех сегментов данной программы, некоторые могут временно располагаться во вспомогательной памяти. Если какой-то программе потребовалось ввести в ОП новый сегмент, то система может любой сегмент убрать из ОП во вспомогательную. Вытесняемому сегменту не обязательно принадлежать той программе, для которой в ОП вводится новый сегмент. Какой таблице сегментов соответствует вытесняемый сегмент не имеет значения, главное, чтобы при переводе его во вспомогательную память в соответствующей таблице сегментов изменилось значение признака.

Вопрос № 7. Основные особенности видеоданных. Матричное и графическое представление видеоинформации

Видеоинформация бывает как статической, так и динамической. Статическая видеоинформация включает в себя текст, рисунки, графики, чертежи, таблицы и др. Рисунки делятся также на плоские - двумерные и объемные - трехмерные.

Динамическая видеоинформация - это видеофильмы и мультипликация, использующаяся для передачи движущихся изображений. В их основе лежит последовательное экспонирование на экране в реальном масштабе времени отдельных кадров в соответствии со сценарием.

Демонстрация анимационных и слайд-фильмов опирается на различные принципы. Анимационные фильмы демонстрируются так, чтобы зрительный аппарат человека не мог зафиксировать отдельных кадров. Для получения качественной анимации кадры должны сменяться порядка 30 раз в секунду. При демонстрации слайд-фильмов каждый кадр экспонируется на экране столько времени, сколько необходимо для восприятия его человеком (обычно от 30 с до 1 мин). Слайд-фильмы можно отнести к статической видеоинформации.

В вычислительной технике существует два способа представления графических изображений; матричный (растровый)и векторный. Матричные (bitmap) форматы хорошо подходят для изображений со сложными гаммами цветов, оттенков и форм, таких как фотографии, рисунки, отсканированные данные. Векторные форматы более приспособлены для чертежей и изображений с простыми формами, тенями и окраской.

В матричных форматах изображение представляется прямоугольной матрицей точек -- пикселов (picture element), положение которых в матрице соответствует координатам точек на экране. Помимо координат каждый пиксел характеризуется своим цветом, цветом фона или градацией яркости. Количество битов, выделяемых для указания цвета пиксела, изменяется в зависимости от формата. В высококачественных изображениях цвет пиксела описывают 24 битами, что дает около 16 миллионов цветов. Основной недостаток матричной (растровой) графики заключается в большой емкости памяти, требуемой для хранения изображения, из-за чего для описания изображений прибегают к различным методам сжатия данных. В настоящее время существует множество форматов графических файлов, различающихся алгоритмами сжатия и способами представления матричных изображений, а также сферой применения.

Векторное представление, в отличие от матричной графики, определяет описание изображения не пикселями, а кривыми - сплайнами. Сплайн - это гладкая кривая, которая проходит через две или более опорные точки, управляющие формой сплайна.

Основное достоинство векторной графики состоит в том, что описание объекта является простым и занимает мало памяти. Кроме того, векторная графика в сравнении с матричной имеет следующие преимущества:

- простота масштабирования изображения без ухудшения его качества;

- независимость емкости памяти, требуемой для храпения изображения, от выбранной цветовой модели.

Недостатком векторных изображений является их некоторая искусственность, заключающаяся в том, что любое изображение необходимо разбить на конечное множество составляющих его примитивов. Как и для матричной графики, существует несколько форматов графических векторных файлов.

Матричная и векторная графика существуют не обособленно друг от друга. Так, векторные рисунки могут включать в себя и матричные изображения. Кроме того, векторные и матричные изображения могут быть преобразованы друг в друга. Графические форматы, позволяющие сочетать матричное и векторное описание изображения, называютсяметафайлами. Метафайлы обеспечивают достаточную компактность файлов с сохранением высокого качества изображения.

Рассмотренные формы представления статической видеоинформации используются, в частности, для отдельных кадров, образующих анимационные фильмы. Для хранения анимационных фильмов применяются различные методы сжатия информации, большинство из которых стандартизовано.

Вопрос № 8. Что такое файл? Различия между файлом и каталогом

вычислительный память оперативный видеоданные

Файл (англ. file - скоросшиватель) - концепция в вычислительной технике: сущность, позволяющая получить доступ к какому-либо ресурсу вычислительной системы и обладающая рядом признаков:

? фиксированное имя (последовательность символов, число или что-то иное, однозначно характеризующее файл);

? определённое логическое представление и соответствующие ему операции чтения/записи.

Может быть любой - от последовательности бит(хотя читаем именно байтами, а точнее словами-группами из байт, по четыре, по восемь, по шестнадцать) до базы данных с произвольной организацией или любым промежуточным вариантом; многомерной базой данных, строго упорядоченной.

Первому случаю соответствуют операции чтения/записи потока и/или массива (то есть последовательные или с доступом по индексу), второму - команды СУБД. Промежуточные варианты - чтение и разбор всевозможных форматов файлов.

Файл - поименованная совокупность байтов произвольной длины, находящихся на носителе информации, а каталог это - поименнованное место на диске, в котором хранятся файлы. Полное имя файла может включать в себя каталоги, как C:\papka\file.txt, может и не включать C:\file.txt, а каталог это то, в чем могут быть расположены файлы: C:\papka. Каталог нельзя открыть в программе, чтобы записать в него какую-то информацию или прочитать, он для хранения файлов внутри себя, файл же наоборот - его можно открыть и отредактировать.

Вопрос № 9. Основные стадии конвейера современных процессоров

Основная задача процессора - выполнять (и как можно быстрее) команды, входящие в программу. Самый простой путь (повышение тактовой частоты процессора) достаточно быстро исчерпывается технологическими ограничениями. Поэтому приходится искать другие способы повысить производительность. Именно набор архитектурных новшеств позволил повысить производительность Pentium по сравнению с 486-ми процессорами. Самое важное из них - конвейер.

Выполнение команды состоит из ряда этапов:

1) чтение команды из памяти,

2) определение длины,

3) определение адреса ячейки памяти, если она используется,

4) выполнение команды,

5) сохранение результата.

В ранних процессорах все эти этапы над каждой командой проводились полностью. Конвейер позволил ускорить процесс: после того, как команда проходила один из этапов и переходила на следующий, начиналась обработка следующей команды. Это решение появилось в последних 486-х (например, в AMD 5х86-133). В Pentium впервые появился двойной конвейер. Команды смогли выполняться параллельно (кроме плавающей арифметики и команд перехода). Это позволило повысить производительность примерно на 30-35%.

Вопрос № 10. Что такое переименование регистров?

Переименование регистров -- метод ослабления взаимозависимостей инструкций, применяемый в процессорах, осуществляющих их внеочередное исполнение.

В том случае, если в соответствии с двумя или более инструкциями необходимо осуществить запись данных в один регистр, их корректное внеочередное исполнение становится невозможным даже в том случае, если при этом нет зависимости по данным. Такие взаимозависимости часто называют ложными.

Так как количество архитектурных регистров обычно ограничено, вероятность возникновения ложных взаимозависимостей достаточно велика, что может привести к снижению производительности процессора.

Переименование регистров представляет собой преобразование программных ссылок на архитектурные регистры в ссылки на физические регистры и позволяет ослабить влияние ложных взаимозависимостей за счёт использования большого количества физических регистров вместо ограниченного количества архитектурных. При этом процессор отслеживает, состояние каких физических регистров соответствует состоянию архитектурных, а выдача результатов осуществляется в порядке, который предусмотрен программой.

Источники

Интернет-ресурс - http://www.chinapads.ru/

Рязанцев О.І., Недзельський Д.О., Гусєва С.В. Архітектурна та структурна організація обчислювальних систем. Навчальний посібник. - Луганськ: Вид-во. СНУ ім. В.Даля, 2008.

Интернет-ресурс - http://studopedia.net/

Интернет-ресурс - http://proc.ucoz.ru/load/ustrojstvo_processora/1-1-0-2

Э.Танненбаум. Архитектура компьютера, 4-изд. СПб. Питер 2006.

Интернет-ресурс - http://193.108.240.69/moodle/file.php/5/navch_pos_OS.doc

Интернет-ресурс - http://znanija.com/task/1788585

Размещено на Allbest.ru