Динамические оперативные запоминающие устройства - раздел Компьютеры, ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ
Динамической Памяти В Вычислительной Машине Значительно Больш...
Динамической памяти в вычислительной машине значительно больше, чем статической, поскольку именно DRAM используется в качестве основной памяти ВМ. Как и SRAM, динамическая память состоит из ядра (массива ЗЭ) и интерфейсной логики (буферных регистров, усилителей чтения данных, схемы регенерации и др.). Хотя количество видов DRAM уже превысило два десятка, ядро у них организовано практически одинаково. Главные различия связаны с интерфейсной логикой, причем различия эти обусловлены также и областью применения микросхем – помимо основной памяти ВМ, ИМС динамической памяти входят, например, в состав видеоадаптеров. Классификация микросхем динамической памяти показана на рис. 72.
Чтобы оценить различия между видами DRAM, предварительно остановимся на алгоритме работы с динамической памятью. Для этого воспользуемся рис. 68.
В отличие от SRAM адрес ячейки DRAM передается в микросхему за два шага — вначале адрес столбца, а затем строки, что позволяет сократить количество выводов шины адреса примерно вдвое, уменьшить размеры корпуса и разместить на материнской плате большее количество микросхем. Это, разумеется, приводит к снижению быстродействия, так как для передачи адреса нужно вдвое больше времени. Для указания, какая именно часть адреса передается в определенный момент, служат два вспомогательных сигнала RAS и CAS. При обращении к ячейке памяти на шину адреса выставляется адрес строки. После стабилизации процессов на шине подается сигнал RAS и адрес записывается во внутренний регистр микросхемы памяти. Затем на шину адреса выставляется адрес столбца и выдается сигнал CAS. В зависимости от состояния линии WE производится чтение данных из ячейки или их запись в ячейку (перед записью данные должны быть помещены на шину данных). Интервал между установкой адреса и выдачей сигнала RAS (или CAS) оговаривается техническими характеристиками микросхемы, но обычно адрес выставляется в одном такте системной шины, а управляющий сигнал — в следующем. Таким образом, для чтения или записи одной ячейки динамического ОЗУ требуется пять тактов, в которых происходит соответственно: выдача адреса строки, выдача сигнала RAS, выдача адреса столбца, выдача сигнала CAS, выполнение операции чтения/записи (в статической памяти процедура занимает лишь от двух до трех тактов).
Рис. 72. Классификация динамических ОЗУ: а) – микросхемы для основной памяти; б) – микросхемы для видеоадаптеров.
Следует также помнить о необходимости регенерации данных. Но наряду с естественным разрядом конденсатора ЗЭ со временем к потере заряда приводит также считывание данных из DRAM, поэтому после каждой операции чтения данные должны быть восстановлены. Это достигается за счет повторной записи тех же данных сразу после чтения. При считывании информации из одной ячейки фактически выдаются данные сразу всей выбранной строки, но используются только те, которые находятся в интересующем столбце, а все остальные игнорируются. Таким образом, операция чтения из одной ячейки приводит к разрушению данных всей строки, и их нужно восстанавливать. Регенерация данных после чтения выполняется автоматически интерфейсной логикой микросхемы, и происходит это сразу же после считывания строки.
Теперь рассмотрим различные типы микросхем динамической памяти, начнем с системных DRAM, то есть микросхем, предназначенных для использования в качестве основной памяти. На начальном этапе это были микросхемы асинхронной памяти, работа которых не привязана жестко к тактовым импульсам системной шины.
Асинхронные динамические ОЗУ. Микросхемы асинхронных динамических ОЗУ управляются сигналами RAS и CAS, и их работа в принципе не связана непосредственно тактовыми импульсами шины. Асинхронной памяти свойственны дополнительные затраты времени на взаимодействие микросхем памяти и контроллера. Так, в асинхронной схеме сигнал RAS будет сформирован только после поступления в контроллер тактирующего импульса и будет воспринят микросхемой памяти через некоторое время. После этого память выдаст данные, но контроллер сможет их считать только по приходу следующего тактирующего импульса, так как он должен работать синхронно с остальными устройствами ВМ. Таким образом, на протяжении цикла чтения/записи происходят небольшие задержки из-за ожидания памятью контроллера и контроллером памяти.
Микросхемы DRAM. В первых микросхемах динамической памяти применялся наиболее простой способ обмена данными, часто называемый традиционным (conventional). Он позволял считывать и записывать строку памяти только на каждый пятый такт. Этапы такой процедуры были описаны ранее. Традиционной DRAM соответствует формула 5-5-5-5. Микросхемы данного типа могли работать на частотах до 40 МГц и из-за своей медлительности (время доступа составляло около 120 нс) просуществовали недолго.
Микросхемы FPMDRAM. Микросхемы динамического ОЗУ, реализующие режим FPM, также относятся к ранним типам DRAM. Сущность режима была показана ранее. Схема чтения для FPM DRAM описывается формулой 5-3-3-3 (всего 14 тактов). Применение схемы быстрого страничного доступа позволило сократить время доступа до 60 нс, что, с учетом возможности работать на более высоких частотах шины, привело к увеличению производительности памяти по сравнению с традиционной DRAM приблизительно на 70%. Данный тип микросхем применялся в персональных компьютерах примерно до 1994 года.
Микросхемы EDO DRAM. Следующим этапом в развитии динамических ОЗУ стали ИМС с гиперстраничным режимом доступа (НРМ, Hyper Page Mode), более известные как EDO (Extended Data Output — расширенное время удержания данных на выходе). Главная особенность технологии — увеличенное по сравнению с FPM DRAM время доступности данных на выходе микросхемы. В микросхемах FPM DRAM выходные данные остаются действительными только при активном сигнале CAS, из-за чего во втором и последующих доступах к строке нужно три такта: такт переключения CAS в активное состояние, такт считывания данных и такт переключения CAS в неактивное состояние. В EDO DRAM по активному (спадающему) фронту сигнала CAS данные запоминаются во внутреннем регистре, где хранятся еще некоторое время после того, как поступит следующий активный фронт сигнала. Это позволяет использовать хранимые данные, когда CAS уже переведен в неактивное состояние. Иными словами, временные параметры улучшаются за счет исключения циклов ожидания момента стабилизации данных на выходе микросхемы.
Схема чтения у EDO DRAM уже 5-2-2-2, что на 20% быстрее, чем у FPM. Время доступа составляет порядка 30-40 нс. Следует отметить, что максимальная частота системной шины для микросхем EDO DRAM не должна была превышать 66 МГц.
Микросхемы BEDO DRAM. Технология EDO была усовершенствована компанией VIA Technologies. Новая модификация EDO известна как BEDO (Burst EDO — пакетная EDO). Новизна метода в том, что при первом обращении считывается вся строка микросхемы, в которую входят последовательные слова пакета. За последовательной пересылкой слов (переключением столбцов) автоматически следит внутренний счетчик микросхемы. Это исключает необходимость выдавать адреса для всех ячеек пакета, но требует поддержки со стороны внешней логики. Способ позволяет сократить время считывания второго и последующих слов еще на один такт, благодаря чему формула приобретает вид 5-1-1-1.
Микросхемы EDRAM. Более быстрая версия DRAM была разработана подразделением фирмы Ramtron — компанией Enhanced Memory Systems. Технология реализована в вариантах FPM, EDO и BEDO. У микросхемы более быстрое ядро и внутренняя кэш-память. Наличие последней — главная особенность технологии. В роли кэш-памяти выступает статическая память (SRAM) емкостью 2048 бит. Ядро EDRAM имеет 2048 столбцов, каждый из которых соединен с внутренней кэш-памятью. При обращении к какой-либо ячейке одновременно считывается целая строка (2048 бит). Считанная строка заносится в SRAM, причем перенос информации в кэш-память практически не сказывается на быстродействии, поскольку происходит за один такт. При дальнейших обращениях к ячейкам, относящимся к той же строке, данные берутся из более быстрой кэш-памяти. Следующее обращение к ядру происходит при доступе к ячейке, не расположенной в строке, хранимой в кэш-памяти микросхемы.
Технология наиболее эффективна при последовательном чтении, то есть когда среднее время доступа для микросхемы приближается к значениям, характерным для статической памяти (порядка 10 нс). Главная сложность состоит в несовместимости с контроллерами, используемыми при работе с другими видами DRAM.
Синхронные динамические ОЗУ. В синхронных DRAM обмен информацией синхронизируется внешними тактовыми сигналами и происходит в строго определенные моменты времени, что позволяет взять все от пропускной способности шины «процессор-память» и избежать циклов ожидания. Адресная и управляющая информация фиксируются в ИМС памяти. После чего ответная реакция микросхемы произойдет через четко определенное число тактовых импульсов, и это время процессор может использовать для других действий, не связанных с обращением к памяти. В случае синхронной динамической памяти вместо продолжительности цикла доступа говорят о минимально допустимом периоде тактовой частоты, и речь уже идет о времени порядка 8-10 нс.
Микросхемы SDRAM. Аббревиатура SDRAM (Synchronous DRAM — синхронная DRAM) используется для обозначения микросхем «обычных» синхронных динамических ОЗУ. Кардинальные отличия SDRAM от рассмотренных выше асинхронных динамических ОЗУ можно свести к четырем положениям:
· синхронный метод передачи данных на шину;
· конвейерный механизм пересылки пакета;
· применение нескольких (двух или четырех) внутренних банков памяти;
· передача части функций контроллера памяти логике самой микросхемы.
Синхронность памяти позволяет контроллеру памяти «знать» моменты готовности данных, за счет чего снижаются издержки циклов ожидания и поиска данных. Так как данные появляются на выходе ИМС одновременно с тактовыми импульсами, упрощается взаимодействие памяти с другими устройствами ВМ.
В отличие от BEDO конвейер позволяет передавать данные пакета по тактам, благодаря чему ОЗУ может работать бесперебойно на более высоких частотах, чем асинхронные ОЗУ. Преимущества конвейера особенно возрастают при передаче длинных пакетов, но не превышающих длину строки микросхемы.
Значительный эффект дает разбиение всей совокупности ячеек на независимые внутренние массивы (банки). Это позволяет совмещать доступ к ячейке одного банка с подготовкой к следующей операции в остальных банках (перезарядкой управляющих цепей и восстановлением информации). Возможность держать открытыми одновременно несколько строк памяти (из разных банков) также способствует повышению быстродействия памяти. При поочередном доступе к банкам частота обращения к каждому из них в отдельности уменьшается пропорционально числу банков и SDRAM может работать на более высоких частотах. Благодаря встроенному счетчику адресов SDRAM, как и BEDO DRAM, позволяет производить чтение и запись в пакетном режиме, причем в SDRAM длина пакета варьируется и в пакетном режиме есть возможность чтения целой строки памяти. ИМС может быть охарактеризована формулой 5-1-1-1. Несмотря на то, что формула для этого типа динамической памяти такая же, что и у BEDO, способность работать на более высоких частотах приводит к тому, что SDRAM с двумя банками при тактовой частоте шины 100 МГц по производительности может почти вдвое превосходить память типа BEDO.
Микросхемы DDR SDRAM. Важным этапом в дальнейшем развитии технологии SDRAM стала DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM - SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных). В отличие от SDRAM новая модификация выдает данные в пакетном режиме по обоим фронтам импульса синхронизации, за счет чего пропускная способность возрастает вдвое. Существует несколько спецификаций DDR SDRAM, в зависимости от тактовой частоты системной шины: DDR266, DDR333, DDR400, DDR533. Так, пиковая пропускная способность микросхемы памяти спецификации DDR333 составляет 2,7 Гбайт/с, а для DDR400 — 3,2 Гбайт/с. DDR SDRAM в настоящее время является наиболее распространенным типом динамической памяти персональных ВМ.
Микросхемы RDRAM, DRDRAM. Наиболее очевидные способы повышения эффективности работы процессора с памятью — увеличение тактовой частоты шины либо ширины выборки (количества одновременно пересылаемых разрядов). К сожалению, попытки совмещения обоих вариантов наталкиваются на существенные технические трудности (с повышением частоты усугубляются проблемы электромагнитной совместимости, труднее становится обеспечить одновременность поступления потребителю всех параллельно пересылаемых битов информации). В большинстве синхронных DRAM (SDRAM, DDR) применяется широкая выборка (64 бита) при ограниченной частоте шины.
Принципиально отличный подход к построению DRAM был предложен компанией Rambus в 1997 году. В нем упор сделан на повышение тактовой частоты до 400 МГц при одновременном уменьшении ширины выборки до 16 бит. Новая память известна как RDRAM (Rambus Direct RAM). Существует несколько разновидностей этой технологии: Base, Concurrent и Direct. Во всех тактирование ведется по обоим фронтам синхросигналов (как в DDR), благодаря чему результирующая частота составляет соответственно 500-600, 600-700 и 800 МГц. Два первых варианта практически идентичны, а вот изменения в технологии Direct Rambus (DRDRAM) весьма значительны.
Сначала остановимся на принципиальных моментах технологии RDRAM, ориентируясь в основном на более современный вариант — DRDRAM. Главным отличием от других типов DRAM является оригинальная система обмена данными между ядром и контроллером памяти, в основе которой лежит так называемый «канал Rambus», применяющий асинхронный блочно-ориентированный протокол. На логическом уровне информация между контроллером и памятью передается пакетами.
Различают три вида пакетов: пакеты данных, пакеты строк и пакеты столбцов. Пакеты строк и столбцов служат для передачи от контроллера памяти команд управления соответственно линиями строк и столбцов массива запоминающих элементов. Эти команды заменяют обычную систему управления микросхемой с помощью сигналов RAS, CAS, WE и CS.
Массив ЗЭ разбит на банки. Их число в кристалле емкостью 64 Мбит составляет 8 независимых или 16 сдвоенных банков. В сдвоенных банка^ пара банков использует общие усилители чтения/записи. Внутреннее ядро микросхемы имеет 128-разрядную шину данных, что позволяет по каждому адресу столбца передавать 16 байт. При записи можно использовать маску, в которой каждый бит соответствует одному байту пакета. С помощью маски можно указать, сколько байтов пакета и какие именно должны быть записаны в память.
Линии данных, строк и столбцов в канале полностью независимы, поэтому команды строк, команды столбцов и данные могут передаваться одновременно, причем для разных банков микросхемы. Пакеты столбцов включают в себя по два поля и передаются по пяти линиям. Первое поле задает основную операцию записи или чтения. Во втором поле находится либо указание на использование маски записи (собственно маска передается по линиям данных), либо расширенный код операции, определяющий вариант для основной операции. Пакеты строк подразделяются на пакеты активации, отмены, регенерации и команды переключения режимов энергопотребления. Для передачи пакетов строк выделены три линии.
Операция записи может следовать сразу за чтением — нужна лишь задержка на время прохождения сигнала по каналу (от 2,5 до 30 нс в зависимости от длины канала). Чтобы выровнять задержки в передаче отдельных битов передаваемого кода, проводники на плате должны располагаться строго параллельно, иметь одинаковую длину (длина линий не должна превышать 12 см) и отвечать строгим требованиям, определенным разработчиком.
Каждая запись в канале может быть конвейеризирована, причем время задержки первого пакета данных составляет 50 нс, а остальные операции чтения/записи осуществляются непрерывно (задержка вносится только при смене операции с записи на чтение, и наоборот).
В имеющихся публикациях упоминается работа Intel и Rambus над новой версией RDRAM, названной nDRAM, которая будет поддерживать передачу данных с частотами до 1600 МГц.
Микросхемы SLDRAM. Потенциальным конкурентом RDRAM на роль стандарта архитектуры памяти для будущих персональных ВМ выступает новый вид динамического ОЗУ, разработанный консорциумом производителей ВМ SyncLink Consortium и известный под аббревиатурой SLDRAM. В отличие от RDRAM, технология которой является собственностью компаний Rambus и Intel, данный стандарт — открытый. На системном уровне технологии очень похожи. Данные и команды от контроллера к памяти и обратно в SLDRAM передаются пакетами по 4 или 8 посылок. Команды, адрес и управляющие сигналы посылаются по однонаправленной 10-разрядной командной шине. Считываемые и записываемые данные передаются по двунаправленной 18-разрядной шине данных. Обе шины работают на одинаковой частоте. Пока что еще эта частота равна 200 МГц, что, благодаря технике DDR, эквивалентно 400 МГц. Следующие поколения SLDRAM должны работать на частотах 400 МГц и выше, то есть обеспечивать эффективную частоту более 800 МГц.
К одному контроллеру можно подключить до 8 микросхем памяти. Чтобы избежать запаздывания сигналов от микросхем, более удаленных от контроллера, временные характеристики для каждой микросхемы определяются и заносятся в ее управляющий регистр при включении питания.
Микросхемы ESDRAM. Это синхронная версия EDRAM, в которой используются те же приемы сокращения времени доступа. Операция записи в отличие от чтения происходит в обход кэш-памяти, что увеличивает производительность ESDRAM при возобновлении чтения из строки, уже находящейся в кэш-памяти. Благодаря наличию в микросхеме двух банков простои из-за подготовки к операциям чтения/записи сводятся к минимуму. Недостатки у рассматриваемой микросхемы те же, что и у EDRAM — усложнение контроллера, так как он должен .читывать возможность подготовки к чтению в кэш-память новой строки ядра. Кроме того, при произвольной последовательности адресов кэш-память задействуется неэффективно.
Микросхемы CDRAM. Данный тип ОЗУ разработан в корпорации Mitsubishi, и его можно рассматривать как пересмотренный вариант ESDRAM, свободный от некоторых ее несовершенств. Изменены емкость кэш-памяти и принцип размещения в ней данных. Емкость одного блока, помещаемого в кэш-память, уменьшена до 128 бит, таким образом, в 16-килобитовом кэше можно одновременно хранить копии из 128 участков памяти, что позволяет эффективнее использовать кэш-память. Замена первого помещенного в кэш участка памяти начинается только после заполнения последнего (128-го) блока. Изменению подверглись и средства доступа. Так, в микросхеме используются раздельные адресные шины для статического кэша и динамического ядра. Перенос данных из динамического ядра в кэш-память совмещен с выдачей данных на шину, поэтому частые, но короткие пересылки не снижают производительности ИМС при считывании из памяти больших объемов информации и уравнивают CDRAM с ESDRAM, а при чтении по выборочным адресам CDRAM явно выигрывает. Необходимо, однако, отметить, что вышеперечисленные изменения привели к еще большему усложнению контроллера памяти.
Все темы данного раздела:
Уровни детализации структуры вычислительной машины
Вычислительная машина как законченный объект являет собой плод усилий специалистов в самых различных областях человеческих знаний. Каждый специалист рассматривает вычислительную ма
Эволюция средств автоматизации вычислений
Попытки облегчить, а в идеале автоматизировать процесс вычислений имеют давнюю историю, насчитывающую более 5000 лет. С развитием науки и технологий средства автоматизации вычислений непрерывно сов
Нулевое поколение (1492-1945)
Для полноты картины упомянем два события, произошедшие до нашей эры: первые счеты — абак, изобретенные в древнем Вавилоне за 3000 лет до н. э., и их более «современный» вариант с к
Первое поколение(1937-1953)
На роль первой в истории электронной вычислительной машины в разные периоды претендовало несколько разработок. Общим у них было использование схем на базе электронно-вакуумных ламп
Второе поколение (1954-1962)
Второе поколение характеризуется рядом достижений в элементной базе, структуре и программном обеспечении. Принято считать, что поводом для выделения нового поколения ВМ стали техно
Третье поколение (1963-1972)
Третье поколение ознаменовалось резким увеличением вычислительной мощности ВМ, ставшим следствием больших успехов в области архитектуры, технологии и программного обеспечения. Осно
Четвертое поколение (1972-1984)
Отсчет четвертого поколения обычно ведут с перехода на интегральные микросхемы большой (large-scale integration, LSI) и сверхбольшой (very large-scale integration, VLSI) степени и
Пятое поколение (1984-1990)
Главным поводом для выделения вычислительных систем второй половины 80-х годов в самостоятельное поколение стало стремительное развитие ВС с сотнями процессоров, ставшее побудитель
Концепция машины с хранимой в памяти программой
Исходя из целей данного раздела, введем новое определение термина «вычислительная машина» как совокупности технических средств, служащих для автоматизированной обработки дискретны
Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет св
Принцип программного управления
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда пред
Принцип однородности памяти
Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования. Это позволяет производить над командами те же
Фон-неймановская архитектура
В статье фон Неймана определены основные устройства ВМ, с помощью которых должны быть реализованы вышеперечисленные принципы. Большинство современных ВМ по своей структуре отвечают принципу програ
Структуры вычислительных машин
В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины.
Типичным представи
Структуры вычислительных систем
Понятие «вычислительная система» предполагает наличие множества процессоров или законченных вычислительных машин, при объединении которых используется один из двух подходов.
Перспективные направления исследований в области архитектуры
Основные направления исследований в области архитектуры ВМ и ВС можно условно разделить на две группы: эволюционные и революционные. К первой группе следует отнести исследования,
Понятие архитектуры системы команд
Системой команд вычислительной машины называют полный перечень команд, которые способна выполнять данная ВМ. В свою очередь, под архитектурой системы команд (АСК) принято определят
Стековая архитектура
Стеком называется память, по своей структурной организации отличная от основной памяти ВМ. Принципы построения стековой памяти детально рассматриваются позже, здесь же выделим только те аспекты, ко
Аккумуляторная архитектура
Архитектура на базе аккумулятора исторически возникла одной из первых. В ней для хранения одного из операндов арифметической или логической операции в процессоре имеется выделенный регистр — аккуму
Регистровая архитектура
В машинах данного типа процессор включает в себя массив регистров (регистровый файл), известных как регистры общего назначения (РОН). Эти регистры, в каком-то смысле, можно рассматр
Архитектура с выделенным доступом к памяти
В архитектуре с выделенным доступом к памяти обращение к основной памяти возможно только с помощью двух специальных команд: load и store. В английской транскрипции данную архитектуру
Форматы команд
Типовая команда, в общем случае, должна указывать:
· подлежащую выполнению операцию;
· адреса исходных данных (операндов), над которыми выполняется операция;
· адрес, по
Длина команды
Это важнейшее обстоятельство, влияющее на организацию и емкость памяти, структуру шин, сложность и быстродействие ЦП. С одной стороны, удобно иметь в распоряжении мощный набор команд, то есть как м
Разрядность адресной части
В адресной части команды содержится информация о местонахождении исходных данных и месте сохранения результата операции. Обычно местонахождение каждого из операндов и результата задается в команде
Количество адресов в команде
Для определения количества адресов, включаемых в адресную часть, будем использовать термин адресность. В «максимальном» варианте необходимо указать три компонента: адрес первого опе
Адресность и время выполнения программы
Время выполнения одной команды складывается из времени выполнения операции и времени обращения к памяти.
Для трехадресной команды последнее суммируется из четырех составля
Способы адресации операндов
Вопрос о том, каким образом в адресном поле команды может быть указано местоположение операндов, считается одним из центральных при разработке архитектуры ВМ. С точки зрения сокра
Непосредственная адресация
При непосредственной адресации (НА) в адресном поле команды вместо адреса содержится непосредственно сам операнд (рис. 15). Этот способ может применяться при выполнении арифметичес
Прямая адресация
При прямой или абсолютной адресации (ПА) адресный код прямо указывает номер ячейки памяти, к которой производится обращение (рис. 22), то есть адресный код совпадает с исполнительн
Косвенная адресация
Одним из путей преодоления проблем, свойственных прямой адресации, может служить прием, когда с помощью ограниченного адресного поля команды указывается адрес ячейки, в свою очеред
Регистровая адресация
Регистровая адресация (РА) напоминает прямую адресацию. Различие состоит в том, что адресное поле инструкции указывает не на ячейку памяти, а на регистр процессора (рис. 24). Иденти
Косвенная регистровая адресация
Косвенная регистровая адресация (КРА) представляет собой косвенную адресацию, где исполнительный адрес операнда хранится не в ячейке основной памяти, а в регистре процессора. Соотв
Адресация со смещением
При адресации со смещением исполнительный адрес формируется в результате суммирования содержимого адресного поля команды с содержимым одного или нескольких регистров процессора (рис
Относительная адресация
При относительной адресации (ОА) для получения исполнительного адреса операнда содержимое подполя Aк команды складывается с содержимым счетчика команд (рис. 27). Таким
Базовая регистровая адресация
В случае базовой регистровой адресации (БРА) регистр, называемый базовым, содержит полноразрядный адрес, а подполе Ас — смещение относительно этого адреса. Ссылка на ба
Индексная адресация
При индексной адресации (ИА) подполе Ас содержит адрес ячейки памяти, а регистр (указанный явно или неявно) — смещение относительно этого адреса. Как видно, этот способ
Страничная адресация
Страничная адресация (СТА) предполагает разбиение адресного пространства на страницы. Страница определяется своим начальным адресом, выступающим в качестве базы. Старшая часть этог
Цикл команды
Программа в фон-неймановской ЭВМ реализуется центральным процессором (ЦП) посредством последовательного исполнения образующих эту программу команд. Действия, требуемые для выборки (
Основные показатели вычислительных машин
Использование конкретной вычислительной машины имеет смысл, если ее показатели соответствуют показателям, определяемым требованиями к реализации заданных алгоритмов. В качестве осно
Программная архитектура i80х86
Одним из наиболее распространенных процессоров общего назначения на данный момент являются процессоры с архитектурой x86 (Intel IA-32). Родоначальником семейства этих процессоров явился ЦП i8086. И
Сегмент кода.
В сегменте кода обычно записываются команды микропроцессора, которые выполняются последовательно друг за другом. Для определения адреса следующей команды после выполнения предыдущей
Переменные в программе.
Во всех остальных сегментах выделяется место для переменных, используемых в программе. Разделение на сегменты данных, сегмент стека и сегмент дополнительных данных связано с тем, чт
Сегмент стека.
Для хранения временных значений, для которых нецелесообразно выделять переменные, предназначена специальная область памяти, называемая стеком. Для адресации такой области служит сег
Микропроцессор i8086
С точки зрения программиста микропроцессор представляется в виде набора регистров. Регистры предназначены для хранения некоторых данных и поэтому, в некотором смысле, они соответств
Доступ к ячейкам памяти
Как уже отмечалось, в состав любой микропроцессорной системы обязательно должна входить память, в которой располагаются программы и необходимые для их работы данные. Физическая и ло
Команды микропроцессора
Программа, работающая в микропроцессорной системе, в конечном виде представляет собой набор байтов, воспринимаемый микропроцессором как код той или иной команды вместе с соответству
Основные группы команд и их краткая характеристика
Для упрощения процесса программирования на языке ассемблера используется мнемоническая запись команд микропроцессора (обычно в виде сокращений английских слов, описывающих действия
Способы адресации в архитектуре i80x86
Рассмотренные выше способы адресации могут быть в полной мере применены при написании программы на языке ассемблера. Рассмотрим методы реализации наиболее часто применяющихся способ
Адресация ячеек памяти
Кроме регистров и констант в командах можно использовать ячейки памяти. Естественно, что они могут использоваться и как источник и как приемник данных.
Более точно, в командах используется
Прямая адресация
При прямой адресации в команде указывается смещение, которое соответствует началу размещения в памяти соответствующего операнда. По умолчанию, при использовании упрощенных директив описания сегмент
Косвенная адресация
При косвенной адресации смещение соответствующего операнда в сегменте содержится в одном из регистров микропроцессора. Таким образом, текущее содержимое регистра микропроцессора определяет исполнит
Косвенная адресация по базе
При использовании косвенной адресации к содержимому регистра можно добавлять константу. В этом случае исполнительный адрес вычисляется как сумма содержимого соответствующего регистра и этой констан
Адресация по базе с индексированием
В микропроцессоре i8086 можно использовать также комбинацию косвенной индексной адресации и адресации по базе. Исполнительный адрес операнда определяется как сумма трех составляющих – содержимого д
Лабораторная работа №1. Программная архитектура процессора i8086
На языке ассемблера процессора i8086 с использованием любого удобного пакета (рекомендуется TASM) реализуйте следующие задачи:
1. Протабулировать функцию у
Структура взаимосвязей вычислительной машины
Совокупность трактов, объединяющих между собой основные устройства ВМ (центральный процессор, память и модули ввода/вывода), образует структуру взаимосвязей вычислительной машины.
Типы шин
Важным критерием, определяющим характеристики шины, может служить ее целевое назначение. По этому критерию можно выделить:
· шины «процессор-память»;
· шины ввода
Системная шина
С целью снижения стоимости некоторые ВМ имеют общую шину для памяти и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной. Системная шина служит для физического и логическ
Вычислительная машина с одной шиной
В структурах взаимосвязей с одной шиной имеется одна системная шина, обеспечивающая обмен информацией между процессором и памятью, а также между УВВ с одной стороны, и процессором л
Вычислительная машина с двумя видами шин
Хотя контроллеры устройств ввода/вывода (УВВ) могут быть подсоединены непосредственно к системной шине, больший эффект достигается применением одной или нескольких шин ввода/вывод
Вычислительная машина с тремя видами шин
Для подключения быстродействующих периферийных устройств в систему шин может быть добавлена высокоскоростная шина расширения.
Механические аспекты
Основная шина, объединяющая устройства вычислительной машины, обычно размещается на так называемой объединительной или материнской плате. Шину образуют тонкие параллельные медные по
Электрические аспекты
Все устройства, использующие шину, электрически подсоединены к ее сигнальным линиям, представляющим собой электрические проводники. Меняя уровни напряжения на сигнальных линиях, ве
Распределение линий шины
Любая транзакция на шине начинается с выставления ведущим устройством адресной информации. Адрес позволяет выбрать ведомое устройство и установить соединение между ним и ведущим. Д
Выделенные и мультиплексируемые линии
В некоторых ВМ линии адреса и данных объединены в единую мультиплексируемую шину адреса/данных. Такая шина функционирует в режиме разделения времени, поскольку цикл шины разбит на
Схемы приоритетов
Каждому потенциальному ведущему присваивается определенный уровень приоритета, который может оставаться неизменным (статический или фиксированный приоритет) либо изменяться по како
Схемы арбитража
Арбитраж запросов на управление шиной может быть организован по централизованной или децентрализованной схеме. Выбор конкретной схемы зависит от требований к производительности и
Интерфейс PCI
Доминирующее положение на рынке ПК достаточное длительное время занимали системы на основе шины PCI (Peripheral Component Interconnect – Взаимодействие периферийных компонентов). Эт
Порт AGP
С повсеместным внедрением технологий мультимедиа пропускной способности шины PCI стало не хватать для производительной работы видеокарты. Чтобы не менять сложившийся стандарт на шин
PCI Express
Интерфейс PCI Express (первоначальное название - 3GIO) использует концепцию PCI, однако физическая их реализация кардинально отличается. На физическом уровне PCI Express представляе
Локализация данных
Под локализацией данных будем понимать возможность обращения к одному из ВУ, а также адресации данных на нем.
Адрес ВУ обычно содержится в адресной части команд ввода/вывод
Управление и синхронизация
Функция управления и синхронизации заключается в том, что МВВ должен координировать перемещение данных между внутренними ресурсами ВМ и внешними устройствами. При разработке систем
Обмен информацией
Основной функцией МВВ является обеспечение обмена информацией. Со стороны «большого» интерфейса — это обмен с ЦП, а со стороны «малого» интерфейса — обмен с ВУ. В таком плане треб
Система прерываний и исключений в архитектуре IA-32
Прерывания и исключения - это события, которые указывают на возникновение в системе или в выполняемой в данный момент задаче определенных условий, требующих вмешательства процессора
Расширенный программируемый контроллер прерываний (APIC)
Микропроцессоры IA-32, начиная с модели Pentium, содержат встроенный расширенный программируемый контроллер прерываний (APIC). Встроенный APIC предназначен для регистрирования преры
Конвейеризация вычислений
Совершенствование элементной базы уже не приводит к кардинальному росту производительности ВМ. Более перспективными в этом плане представляются архитектурные приемы, среди которых о
Синхронные линейные конвейеры
Эффективность синхронного конвейера во многом зависит от правильного выбора длительности тактового периода Тк. Минимально допустимую Тк можно определить как
Метрики эффективности конвейеров
Чтобы охарактеризовать эффект, достигаемый за счет конвейеризации вычислений, обычно используют три метрики: ускорение, эффективность и производительность.
Под ускорен
Нелинейные конвейеры
Конвейер не всегда представляет собой линейную цепочку этапов. В ряде ситуаций оказывается выгодным, когда функциональные блоки соединены между собой не последовательно, а в соотв
Конвейер команд
Идея конвейера команд была предложена в 1956 году академиком С. А. Лебедевым. Как известно, цикл команды представляет собой последовательность этапов. Возложив реализацию каждого из
Конфликты в конвейере команд
Полученное в примере число 14 характеризует лишь потенциальную производительность конвейера команд, На практике в силу возникающих в конвейере конфликтных ситуаций достичь такой про
Методы решения проблемы условного перехода
Несмотря на важность аспекта вычисления исполнительного адреса точки перехода, основные усилия проектировщиков ВМ направлены на решение проблемы условных переходов, поскольку именн
Предсказание переходов
Предсказание переходов на сегодняшний день рассматривается как один из наиболее эффективных способов борьбы с конфликтами по управлению. Идея заключается в том, что еще до момента
Статическое предсказание переходов
Статическое предсказание переходов осуществляется на основе некоторой априорной информации о подлежащей выполнению программе. Предсказание делается на этапе компиляции программы и
Динамическое предсказание переходов
В динамических стратегиях решение о наиболее вероятном исходе команды УП принимается в ходе вычислений, исходя из информации о предшествующих переходах (истории переходов), собирае
Суперконвейерные процессоры
Эффективность конвейера находится в прямой зависимости от того, с какой частотой на его вход подаются объекты обработки. Добиться n-кратного увеличения темпа работы конвейера можно
Архитектуры с полным и сокращенным набором команд
Современная технология программирования ориентирована на языки высокого уровня (ЯВУ), главная задача которых — облегчить процесс написания программ. Более 90% всего процесса програм
Основные черты RISC-архитектуры
Главные усилия в архитектуре RISC направлены на построение максимально эффективного конвейера команд, то есть такого, где все команды извлекаются из памяти и поступают в ЦП на обр
Преимущества и недостатки RISC
Сравнивая достоинства и недостатки CISC и RISC, невозможно сделать однозначный вывод о неоспоримом преимуществе одной архитектуры над другой. Для отдельных сфер использования ВМ л
Суперскалярные процессоры
Поскольку возможности по совершенствованию элементной базы уже практически исчерпаны, дальнейшее повышение производительности ВМ лежит в плоскости архитектурных решений. Как уже о
Лабораторная работа №4. Исполнительные устройства ВМ
Счетчики.Счетчиком называют устройство, сигналы на выходе которого отображают число импульсов, поступивших на счетный вход. JK-триггер может служить примером просте
Характеристики систем памяти
Перечень основных характеристик, которые необходимо учитывать, рассматривая конкретный вид ЗУ, включает в себя:
· место расположения;
· емкость;
· единицу
Иерархия запоминающих устройств
Память часто называют «узким местом» фон-неймановских ВМ из-за ее серьезного отставания по быстродействию от процессоров, причем разрыв этот неуклонно увеличивается. Так, если прои
Основная память
Основная память (ОП) представляет собой единственный вид памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно (исключение составляют лишь регистры центрального процессора). Информация, хранящая
Блочная организация основной памяти
Емкость основной памяти современных ВМ слишком велика, чтобы ее можно было реализовать на базе единственной интегральной микросхемы (ИМС). Необходимость объединения нескольких ИМС
Организация микросхем памяти
Интегральные микросхемы (ИМС) памяти организованы в виде матрицы ячеек, каждая из которых, в зависимости от разрядности ИМС, состоит из одного или более запоминающих элементов (ЗЭ)
Синхронные и асинхронные запоминающие устройства
В качестве первого критерия, по которому можно классифицировать запоминающие устройства основной памяти, рассмотрим способ синхронизации. С этих позиций известные типы ЗУ подразде
Оперативные запоминающие устройства
Большинство из применяемых в настоящее время типов микросхем оперативной памяти не в состоянии сохранять данные без внешнего источника энергии, то есть являются энергозависимыми (vo
Статическая и динамическая оперативная память
В статических ОЗУ запоминающий элемент может хранить записанную информацию неограниченно долго (при наличии питающего напряжения). Запоминающий элемент динамического
Статические оперативные запоминающие устройства
Напомним, что роль запоминающего элемента в статическом ОЗУ исполняет триггер. Статические ОЗУ на настоящий момент – наиболее быстрый, правда, и наиболее дорогостоящий вид оперативн
Лабораторная работа №5. Расширенная работа с памятью и передача управления в программе
Реализуйте на языке ассемблера микропроцессора i8086 следующие программы, используя команды передачи управления call и ret:
1. Определить резу
Магнитные диски
Информация в ЗУ на магнитных дисках (МД) хранится на плоских металлических или пластиковых пластинах (дисках), покрытых магнитным материалом. Данные записываются и считываются с д
Организация данных и форматирование
Данные на диске организованы в виде набора концентрических окружностей, называемых дорожками (рис. 72). Каждая из них имеет ту же ширину, что и головка. Соседние дорожки разделены промежутками. Эт
Внутреннее устройство дисковых систем
В ЗУ с фиксированными головками приходится по одной головке считывания/ записи на каждую дорожку. Головки смонтированы на жестком рычаге, пересекающем все дорожки диска. В дисковом
Концепция массива с избыточностью
Магнитные диски, будучи основой внешней памяти любой ВМ, одновременно остаются и одним из «узких мест» из-за сравнительно высокой стоимости, недостаточной производительности и отк
Повышение производительности дисковой подсистемы
Повышение производительности дисковой подсистемы в RAID достигается с помощью приема, называемого расслоением или расщеплением (striping). В его основе лежит разбиение данных и ди
Повышение отказоустойчивости дисковой подсистемы
Одной из целей концепции RAID была возможность обнаружения и коррекции ошибок, возникающих при отказах дисков или в результате сбоев. Достигается это за счет избыточного дискового п
RAID уровня 0
RAID уровня 0, строго говоря, не является полноценным членом семейства RAID, поскольку данная схема не содержит избыточности и нацелена только на повышение производительности в уще
RAID уровня 1
В RAID 1 избыточность достигается с помощью дублирования данных. В принципе исходные данные и их копии могут размещаться по дисковому массиву произвольно, главное чтобы они находи
RAID уровня 2
В системах RAID 2 используется техника параллельного доступа, где в выполнении каждого запроса на В/ВЫВ одновременно участвуют все диски. Обычно шпиндели всех дисков синхронизиров
RAID уровня 3
RAID 3 организован сходно с RAID2. Отличие в том, что RAID 3 требует только одного дополнительного диска — диска паритета, вне зависимости от того, насколько велик массив дисков (р
RAID уровня 4
По своей идее и технике формирования избыточной информации RAID 4 идентичен RAID 3, только размер полос в RAID 4 значительно больше (обычно один-два физических блока на диске). Гла
RAID уровня 5
RAID 5 имеет структуру, напоминающую RAID 4. Различие заключается в том, что RAID 5 не содержит отдельного диска для хранения полос паритета, а разносит их по всем дискам. Типичное
RAID уровня 6
RAID 6 очень похож на RAID 5. Данные также разбиваются на полосы размером в блок и распределяются по всем дискам массива. Аналогично, полосы паритета распределены по разным дискам.
RAID уровня 7
Схема RAID 7, запатентованная Storage Computer Corporation, объединяет массив асинхронно работающих дисков и кэш-память, управляемые встроенной в кон троллер массива операционной с
RAID уровня 10
Данная схема совпадает с RAID 0, но в отличие от нее роль отдельных дисков выполняют дисковые массивы, построенные по схеме RAID 1 (рис. 83).
Таким образом, в RAID 10 соче
Особенности реализации RAID-систем
Массивы RAID могут быть реализованы программно, аппаратно или как комбинация программных и аппаратных средств.
При программной реализации используются обычные дисковые кон
Оптическая память
В 1983 году была представлена первая цифровая аудиосистема на базе компакт-дисков (CD — compact disk). Компакт-диск — это односторонний диск, способный хранить более чем 60-минутную
Уровни параллелизма
Методы и средства реализации параллелизма зависят от того, на каком уровне он должен обеспечиваться. Обычно различают следующие уровни параллелизма:
· Уровень заданий. Неск
Параллелизм уровня программ
О параллелизме на уровне программы имеет смысл говорить в двух случаях. Во-первых, когда в программе могут быть выделены независимые участки, которые допустимо выполнять параллельно
Параллелизм уровня команд
Параллелизм на уровне команд имеет место, когда обработка нескольких команд или выполнение различных этапов одной и той же команды может перекрываться во времени. Разработчики вычис
Профиль параллелизма программы
Число процессоров многопроцессорной системы, параллельно участвующих в выполнении программы в каждый момент времени t, определяют понятием степень параллелизма D(t) (
Ускорение, эффективность, загрузка и качество
Рассмотрим параллельное выполнение программы со следующими характеристиками:
· О(п) — общее число операций (команд), выполненных на п-процессорной системе;
Закон Амдала
Приобретая для решения своей задачи параллельную вычислительную систему, пользователь рассчитывает на значительное повышение скорости вычислений за счет распределения вычислительной
Закон Густафсона
Известную долю оптимизма в оценку, даваемую законом Амдала, вносят исследования, проведенные уже упоминавшимся Джоном Густафсоном из NASA Ames Research. Решая на вычислительной сис
Когерентность кэш- памяти в SMP- системах.
Требования, предъявляемые современными процессорами к полосе пропускания памяти можно существенно сократить путем применения больших многоуровневых кэшей. Тогда, если эти требования
Когерентность кэш- памяти в MPP-системах.
Существуют два различных способа построения крупномасштабных систем с распределенной памятью. Простейший способ заключается в том, чтобы исключить аппаратные механизмы, обеспечивающ
Организация прерываний в мультипроцессорных системах.
Рассмотрим реализацию прерываний в наиболее простых симметричных многопроцессорных системах, в которых используется несколько процессоров, объединенных общей шиной. Каждый процессор
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Охватить все аспекты строения и организации вычислительных машин в одном издании (да и в рамках одного курса) не представляется возможным. Знания в этой области человеческой деятель
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Авен, О. И. Оценка качества и оптимизации вычислительных систем / О.И. Авен, Н. Я . Турин, А. Я. Коган. – М.: Наука, 1982. – 464 с.
2. Воеводин, В. В. Параллельные вычи
Новости и инфо для студентов