Архитектура ЭВМ и ВС Тема 1 7 Организация

Архитектура ЭВМ и ВС Тема 1. 7. Организация работы памяти компьютера Преподаватель: Шершова Л. Н.

Тема 1. 7. Организация работы памяти компьютера Занятие 18. 1) Иерархическая структура памяти. 2) Основная память ЭВМ. ОЗУ и ПЗУ. Организация оперативной памяти. Адресное и ассоциативное ОЗУ: принцип работы и сравнительная характеристика. 3) Виды адресации. Стек. 4) Плоская и многосегментная модель памяти. Занятие 19. 1) Кэш-память: назначение, структура, основные характеристики. 2) Организация кэш-памяти. Занятие 20. 1) Динамическая память. Принцип работы. Обобщенная структурная схема памяти. Режимы работы: запись, хранение, считывание, режим регенерации. 2) Статическая память. Применение и принцип работы Основные особенности. Разновидности статической памяти. 3) Устройства специальной памяти: постоянная память (ПЗУ), перепрограммируемая постоянная память (флэш-память), видеопамять. Назначение, особенности, применение. Занятие 21. 1) Базовая система ввода/вывода (BIOS): назначение, функции, модификации.

Тема 1. 7. Организация работы памяти компьютера "Память определяет быстродействие" Фон-Нейман "Самый медленный верблюд определяет скорость каравана" Арабское народное

Тема 1. 7. Организация работы памяти компьютера Занятие 18. Иерархическая структура памяти. Основная память ЭВМ. ОЗУ и ПЗУ. Организация оперативной памяти. Адресное и ассоциативное ОЗУ: принцип работы и сравнительная характеристика. Виды адресации. Стек. Плоская и многосегментная модель памяти. Память в ЭВМ предназначена для запоминания двоичных чисел. Память состоит из элементов способных своим свойством запомнить 1 или 0, что соответствует минимальной единице памяти - 1 биту. Восемь бит образуют информационную единицу 1 байт. Два байта называются машинным словом. Основными параметрами памяти является плотность, быстродействие, надежность, энергозависимость и себестоимость. Требования высокого быстродействия и надежности с другой стороны и доступность по стоимости с другой, заставляет применять особую иерархическую структуру всей памяти компьютера (рисунок).

Иерархическая структура памяти компьютера

Основная, или оперативная память (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) – используется для оперативного обмена информацией (данными и командами) между процессором, внешней памятью и периферийными устройствами. ОЗУ является памятью с произвольным доступом, т. е. обращаться к ячейкам памяти можно в любом порядке. Оперативная память относится к динамической памяти. Данные могут сохраняться только в постоянном динамическом обновлении содержимого. По этой же причине она является энергозависимой. Кэш-память – сверхоперативная память (СОЗУ), является буфером между ОЗУ и процессором (одним или несколькими) и другими абонентами системной шины. Быстродействие этой памяти близко к скорости ядра процессора. Кэш-память не является самостоятельным хранилищем информации, и она не адресуема клиентами подсистемы памяти. Кэш хранит копии блоков данных, областей памяти которые чаще учувствуют в обмене информацией. От эффективности алгоритма кэширования зависит оперативность памяти. Объем кэш-памяти ПК в тысячи раз меньше объема ОЗУ, но быстродействие в десятки раз выше. В современных персональных компьютерах кэш-память располагается внутри самого процессора.

Постоянная память используется для энергонезависимого хранения системной информации – BIOS (программа начальной загрузки), таблиц знакогенераторов и т. д. Обычно при работе компьютера эта память только считывается, но имеется и режим программирования, при котором можно изменить содержимое. В персональных компьютерах в качестве постоянной памяти используют флэш-память, и ее объем составляет около 6 Мбайт. Быстродействие постоянной памяти гораздо меньше оперативной, поэтому для нее создается и используется ее теневая копия в оперативной памяти. Полупостоянная память в основном используется для хранения информации о конфигурации (настроек) компьютера. Память конфигурации выполнена вместе с системными часами на основе CMOS элементов. Объем данной память составляет несколько десятков байт, а сохранность данных при отсутствии питания обеспечивается небольшой внутренней батарейкой. Устройства хранения данных (дополнительная память) относятся к внешней памяти компьютера – они позволяют хранить информацию для последующего использования не зависимо от того включен или выключен компьютер. В этих устройствах могут быть реализованы различные физические принципы хранения информации – магнитный, оптический, электронный – в любых их сочетаниях. Обмен данными с основной памятью принципиально отличается от сеансов обмена с дополнительной памятью. Процедура работы с устройствами внешней памяти больше привязано к типу (интерфейсу) самих устройств.

Занятие 18. Иерархическая структура памяти. Основная память ЭВМ. ОЗУ и ПЗУ. Организация оперативной памяти. Адресное и ассоциативное ОЗУ: принцип работы и сравнительная характеристика. Виды адресации. Стек. Плоская и многосегментная модель памяти. Запоминающие устройства можно классифицировать по следующим критериям: · по типу запоминающих элементов; · по функциональному назначению; · по способу организации обращения; · по характеру считывания; · по способу хранения; · по способу организации.

По способу организации обращения По типу запоминающи х элементов По характеру считывания По способу хранения По функциональ ному назначению По способу организации С последователь ным поиском Полупроводни ковые С разрушением информации Статические ОЗУ Однокоордина тные С прямым доступом Магнитные Без разрушения информации Динамические СОЗУ Двухкоординат ные С непосредствен ным доступом или Адресные Конденсаторн ые ВЗУ Трехкоординат ные Ассоциативные Оптоэлектронн ые ПЗУ Двухтрехкоординат ные Стековые Голографическ ие ППЗУ Магазинные Криогенные

Виды используемых структур памяти по способу организации обращения и поиска информации В традиционных ЭВМ используется иерархическая система памяти. Непосредственно в процессоре могут быть интегрированы регистры общего назначения (РОНы), первые ступени кэш-памяти, дополнительные устройства памяти, иногда – программно недоступные. Это устройства сохранения адресов возврата, аппаратные таблицы переадресации, буфера предсказаний ветвлений и т. д. Основной памятью, на работу с которой ориентирован процессор, является оперативная память. Остальные системы иерархии памяти для процессора, как правило, являются внешними устройствами. Особый статус имеют уровни кэш-памяти. Это элементы системы «оперативная память – процессор» . По способу организации обращения и поиска информации устройства оперативной памяти разделяются на: qадресные, qассоциативные, qстековые.

Адресная память В адресных устройствах памяти массив элементов хранения информации разбивается на отдельные нумерованные последовательности. Номер конкретной последовательности является ее адресом, по которому происходит обращение для записи или чтения информации. Это модель плоской (двухкоординатной) памяти. Иногда используются наборы плоских устройств памяти для получения структурированных систем памяти. Обычно для хранения информации в ЭВМ используются двоичные элементы (хранимые значения – биты), а минимально адресуемой последовательностью бит является байт. Байт – это количество бит, необходимое для кодирования символов в используемых стандартных кодах. В настоящее время байт – это 8 бит. Байты укрупняются в слова. Для РС и мини-ЭВМ слово – это два байта, для майнфреймов (полноразрядные ЭВМ корпорации IBM) – четыре байта. В качестве программных объектов могут использоваться биты, байты, слова и более крупные объекты, кратные байту (степени двоичного числа байт).

Ассоциативная память В ассоциативных системах памяти массив элементов хранения информации, как и в адресных системах, разбивается на отдельные последовательности, но нумерация последовательности необязательна. Кроме функций записи и хранения, в ассоциативных системах памяти аппаратно реализуются функции ассоциативного поиска информации. В простейшем случае – это поиск информации по совпадению входного "эталона" с частью последовательности хранимой информации. Результаты ассоциативного поиска используются в операциях чтения или записи для поиска искомых строк данных. Ассоциативный поиск реализуется сравнением входной информации со всеми хранимыми объектами (байтами, словами и т. д. ). Ассоциативный поиск может быть реализован чисто программно последовательным перебором ячеек в обычной адресной памяти с последовательным сравнением эталона с хранимой в памяти информацией. В ассоциативной памяти поиск реализуется аппаратно путем параллельного сравнения словаэталона со всеми записанными словами. Для этого каждый набор элементов хранения программных объектов дополняется схемами сравнения. Части хранимой информации, по которым производится ассоциативный поиск, могут быть выделены в отдельный блок (блок тегов) или задаваться схемами маскирования в блоке хранения информации.

Стековая память – это очередь со стратегией работы "последний вошел – первый вышел". Стековая память обычно реализуется на основе обычной линейной адресной памяти с использованием специального регистра – указателя стека (SP). Для стековой памяти определены две операции: занесение единицы данных в стек и удаление единицы данных из стека. При занесении в стек объекта, например слова, содержимое указателя стека уменьшают на длину объекта и результат используют в качестве адреса записи. При удалении объекта из стека производят чтение из вершины стека, а затем производят корректировку указателя стека: увеличивают содержимое SP на длину удаляемого объекта. Это вариант стека с распространением (при заполнении) в сторону уменьшения адресов. Возможен симметричный вариант стека с распространением в сторону увеличения адресов. Стек может использоваться в аппаратных процедурах, например для сохранения контекста программ в процедурах передач управления на подпрограммы (включая программы обработки прерываний) и возврата из подпрограмм. Для программной работы со стеком используются или специальные команды, или режимы адресации.

Использование специальных команд для организации стека Многие процессоры имеют наборы команд работы со стеком. Наиболее общими из них являются команды: PUCH А – поместить в стек А, где А – непосредственный операнд, регистр или ячейка памяти; POP A – восстановить (выбрать) данные из стека в А, где А – регистр или ячейка памяти. Построение стека на основе обычной адресной памяти позволяет производить чтение и модификацию данных и по произвольному адресу внутри стека. В МП Intel для обращения по произвольному адресу внутри стека используется регистр EBP– указатель базы (кадра) стека. Перед началом использования стека, для возможности доступа к данным стека по произвольным адресам, в этом регистре должно быть скопировано содержимое указателя стека (ESP – адрес вершины стека). В МП Intel для работы со стеком предусмотрены: стековый сегмент (определяемый сегментным регистром ЕSS), регистр указателя вершины стека (ЕSP) и регистр базового адреса кадра стека (EBP). Использование режимов адресации В процессорах корпорации DEC нет специальных команд (кодов операций) для работы со стеком. Для создания стека может использоваться любая область единой адресной памяти. Одна из областей памяти выделена для аппаратного стека. Аппаратный стек предназначен для использования аппаратурой или операционной системой. Аппаратура использует стек для сохранения данных в процедурах передач управления подпрограммам, включая подпрограммы обработки прерываний. Программы пользователей также могут использовать множество стеков. Для работы со стеками используются не специальные команды, а режимы адресации: автоинкрементный и автодекрементный. В качестве указателя стека может использоваться любой регистр общего назначения (РОН). В современных ЭВМ используются все три типа памяти. Как правило, в качестве оперативной памяти используется адресная память.

Занятие 18. 1) Иерархическая структура памяти. 2) Основная память ЭВМ. ОЗУ и ПЗУ. Организация оперативной памяти. Адресное и ассоциативное ОЗУ: принцип работы и сравнительная характеристика. 3) Виды адресации. Стек. 4) Плоская и многосегментная модель памяти. Логическая структура основной памяти Структурно основная память состоит из миллионов отдельных ячеек памяти, емкостью 1 байт каждая. Общая емкость ОП современных ПК обычно 512 -1024 Мбайт и более. Емкость ОЗУ обычно на 1 -2 порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает 128 Кбайт, остальной объем — это ОЗУ. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес. Оперативная память для ОЗУ и ПЗУ — это единое адресное пространство Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти. Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, т. е адресное пространство равно 2 n, где п — разрядность адреса. За основу в ПК взят 16 -разрядный адресный код, равный по длине размеру машинного слова. При наличии 16 -разрядного кода адреса можно непосредственно адресовать всего 216 = 65 536 = 64 Кбайт ячеек памяти. Это 64 -килобайтное поле памяти, т. н. сегмент, является базовым в логической структуре ОП. Следует заметить, что в защищенном режиме размер сегмента может быть иным и значительно превышать 64 Кбайта. Адреса элементов памяти формируются следующим образом Абсолютный (полный, физический) адрес (Аа 6 с) формируется в виде суммы двух составляющих: адреса сегмента и адреса смещения, где - адрес сегмента (Асегм) - это начальный адрес 64 -килобайтного поля, внутри которого находится адресуемая ячейка. - адрес смещения (Аасм) -относительный 16 -разрядный адрес ячейки внутри сегмента. Для адресации 1 Мбайта Асегм должен быть 20 -разрядным, но если принять условие, что Асегм должен быть обязательно кратным параграфу, то однозначно определять этот адрес можно 16 -разрядным кодом дополненный справа четырьмя нулями, что превращает его в 20 -разрядный код, т. е. Аабс = 16 х Асегм + Аасм

В современных ПК существует режим виртуальной адресации (Virtual — кажущийся). Виртуальная адресация используется для увеличения адресного пространства ПК при наличии ОП большой емкости (простая виртуальная адресация) или при организации виртуальной памяти, в которую наряду с ОП включается и часть внешней (обычно дисковой) памяти. При виртуальной адресации вместо начального адреса сегмента Асегм в формировании абсолютного адреса Аабс принимает участие многоразрядный адресный код, считываемый из специальных таблиц. Принцип простой виртуальной адресации можно пояснить следующим образом. В регистре сегмента (обычно регистр DS) содержится не Асегм, а некий селектор, имеющий структуру: ИНДЕКС F СЛ Здесь ИНДЕКС — адрес строки в дескрипторной таблице; F — идентификатор, определяющий тип дескрипторной таблицы для формирования Асегм (дескрипторные таблицы создаются в ОП при виртуальной адресации автоматически): □ если F = 0, то используется глобальная дескрипторная таблица (GDT), общая для всех задач, решаемых в ПК при многопрограммном режиме; □ если F = 1, то используется локальная дескрипторная таблица (LDT), создаваемая для каждой задачи отдельно; СЛ — вспомогательная служебная информация. В соответствии с F и ИНДЕКС из таблиц GLT или LDT считывается 64 -битовая строка, содержащая, в т. ч. адрес сегмента. Разрядность этого адреса зависит от размера адресного пространства МП (равна разрядности адресной шины).

Для большей плотности размещения информации в ОП (уменьшения сегментированности) часто используется сегментно-страничная адресация, при которой поля памяти выделяются программам внутри сегментов страницами, размером 2 -4 Кбайт. Формирование сегментно-страничной структуры адресов выполняется автоматически ОС. Виртуальная память создается при недостаточном объеме ОП, не позволяющем разместить в ней сразу всю необходимую информацию для выполняемого задания. При загрузке очередной задачи в оперативную память необходимо выполнить распределение машинных ресурсов, в частности ОП между компонентами одновременно решаемых задач. При подготовке программ используются условные адреса, которые должны быть затем привязаны к конкретному месту в памяти. Распределение памяти может выполняться или в статическом режиме до загрузки программы в ОП, или в динамическом режиме автоматически в момент загрузки программы. Статическое распределение трудоемко, поэтому применяется редко. Если очевидно, что реальная память меньше требуемого программой, программист может разбить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости, то есть создать оверлейную структуру программы. Обычно же используется режим динамического распределения памяти. При динамическом распределении памяти в случае недостаточной емкости ОП пользуются виртуалъной памятью. В этом режиме пользователь имеет дело не с физической ОП, действительно имеющейся в ПК, а с виртуальной памятью, емкость которой равна всему адресному пространству МП. На всех этапах подготовки программы, включая ее загрузку в ОП, в программе используются виртуальные адреса и лишь при непосредственном исполнении машинной команды выполняется преобразование виртуальных адресов в реальные физические адреса ОП. При этом реально программа может размещаться частично в ОП, частично во внешней памяти.

Таблица страниц Технология организации виртуальной памяти следующая. Физические оперативная и дисковая (привлеченная к задаче) память, а также виртуальная память разбиваются на страницы одинакового размера по 4 Кбайта. Страницам виртуальной и физической памяти присваиваются номера, которые сохраняются одними и теми же на весь период решения задачи. Операционная система (ОС) для работы формирует две таблицы: - страниц виртуальной памяти (слева) и физического размещения страниц (справа), и устанавливает связи между ними (рисунок Таблица страниц). На рисунке видно, что физические страницы могут находиться в текущий момент времени как в оперативной, так и во внешней памяти. Из внешней памяти виртуальные страницы автоматически перемещаются в оперативную только тогда, когда к ним происходит обращение. При этом они замещают уже отработавшие страницы. Страничные таблицы для каждой программы формируются операционной системой в процессе распределения памяти и изменяются каждый раз, когда физические страницы перемещаются из ВЗУ в ОП. Виртуальная память может иметь и сегментно-страничную организацию. В этом случае виртуальная память делится сначала на сегменты, а внутри них на страницы.

Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Как можно классифицировать запоминающие устройства? Иерархическая структура памяти. Назовите основные параметры памяти. Для чего используется основная (оперативная память) и к какому виду памяти она относится? Чем является кэш-память? Для чего используется постоянная и полупостоянная память? Дополнительная память относится к … и позволяет…? Адресное и ассоциативное ОЗУ: приведите принципы работы и сравнительную характеристику. Стековая память это…? Где может использоваться стек? Логическая структура памяти. Что такое адресное пространство? В виде чего формируется абсолютный адрес? Для чего используется виртуальная адресация? Для чего используется сегментно-страничная адресация? Технология организации виртуальной памяти?