ПАМЯТЬ ЭВМ - раздел История, Память ЭВМ: История развития ЭВМ Память – Один Из Блоков Эвм, Состоящий Из Зу И Предназначенн...
Память – один из блоков ЭВМ, состоящий из ЗУ и предназначенный для запоминания, хранения и выдачи информации (алгоритма обработки данных и самих данных).
Основными характеристиками отдельных устройств памяти (запоминающих устройств) являются емкость памяти, быстродействие и стоимость хранения единицы информации (бита).
Быстродействие (задержка) памяти определяется временем доступа и длительностью цикла памяти. Время доступа представляет собой промежуток времени между выдачей запроса на чтение и моментом поступления запрошенного слова из памяти. Длительность цикла памяти определяется минимальным временем между двумя последовательными обращениями к памяти.
Требования к увеличению емкости и быстродействия памяти, а также к снижению ее стоимости являются противоречивыми.Чем больше быстродействие, тем технически труднее достигается и дороже обходится увеличение емкости памяти. Стоимость памяти составляет значительную часть общей стоимости ЭВМ.
Как и большинство устройств ЭВМ, память имеет иерархическую структуру. Обобщённая модель такой структуры, отражающая многообразие ЗУ и их взаимодействие, представлена на рисунке 8.1. Все запоминающие устройства обладают различным быстродействием и емкостью. Чем выше уровень иерархии, тем выше быстродействие соответствующей памяти, но меньше её емкость.
Рис. 8.1. Иерархическая структура памяти
К самому высокому уровню - сверхоперативному - относятся регистры управляющих и операционных блоков процессора, сверхоперативная память, управляющая память, буферная память (кэш-память).
На втором оперативном уровне, более низком, находится оперативная память (ОП), служащая для хранения активных программ и данных, то есть тех программ и данных, с которыми работает ЭВМ.
На следующем более низком внешнем уровне размещается внешняя память.
Местная память или регистровая память процессора. Входит в состав ЦП (регистры управляющих и операционных блоков процессора) и предназначена для временного хранения информации. Она имеет малую ёмкость и наибольшее быстродействие. Построена на базе регистров общего назначения. РОН конструктивно совмещены с процессором ЭВМ. Этот тип ЗУ используется для хранения управляющих и служебных кодов, а также информации, к которой наиболее часто обращается процессор при выполнении программы.
Сверхоперативная память. Иногда в архитектуре ЭВМ регистровая память организуется в виде сверхоперативного ЗУ с прямой адресацией. Такая память имеет то же назначение как и РОН, служит для хранения операндов, данных и служебной информации, необходимой процессору.
Управляющая память предназначена для хранения управляющих микропрограмм процессора (см. раздел Устройство управления микропрограммного типа). Выполнена в виде постоянного ЗУ (ПЗУ) или программируемого постоянного ЗУ (ППЗУ). В системах с микропрограммным способом обработки информации УП применяется для хранения однажды записанных микропрограмм, управляющих программ, констант и т.п.
Буферная память.В функциональном отношении кэш-память рассматривается как буферное ЗУ, размещённое между основной (оперативной) памятью и процессором. Основное назначение кэш-памяти - кратковременное хранение и выдача активной информации процессору, что сокращает число обращений к основной памяти, скорость работы которой меньше, чем кэш-памяти. Кэш – память от английского cashe – тайник. Она не является программно доступной. Поэтому она оказывает влияние на производительность ЭВМ, но не влияет на программирование прикладных задач. В современных ЭВМ различают кэш первого и второго уровней. Кэш первого уровня интегрирована с блоком предварительной выборки команд и данных ЦП и служит, как правило, для хранения наиболее часто используемых команд. Кэш второго уровня служит буфером между ОП и процессором. В некоторых ЭВМ существует кэш память отдельно для команд и отдельно для данных.
ОП (ОЗУ)служит для хранения информации, непосредственно участвующей в вычислительном процессе (происходящем в операционном устройстве - АЛУ). Из ОЗУ в процессор поступают коды и операнды, над которыми производятся предусмотренные программой операции, из процессора в ОЗУ направляются для хранения промежуточные и конечные результаты обработки информации. ОЗУ имеет сравнительно большую ёмкость и высокое быстродействие, однако меньшее, чем ЗУ сверхоперативного уровня.
Внешняя память (ВнП) используется для хранения больших массивов информации в течении продолжительного времени. Обычно ВнП не имеет непосредственной связи с процессором. Обмен информацией носит групповой характер, что значительно сокращает время обмена. ВнП обладает сравнительно низким быстродействием (поиск информации). В качестве носителя используются магнитные диски (гибкие и жёсткие), лазерные диски(CD-room) и др.
Сравнительно небольшая емкость оперативной памяти (8 - 64 Мбайта) компенсируется практически неограниченной емкостью внешних запоминающих устройств. Однако эти устройства сравнительно медленные - время обращения за данными для магнитных дисков составляет десятки микросекунд. Для сравнения: цикл обращения к оперативной памяти (ОП) составляет 50 нс. Исходя из этого, вычислительный процесс должен протекать с возможно меньшим числом обращений к внешней памяти.
Рост производительности ЭВМ проявляется в первую очередь в увеличении скорости работы процессора. Быстродействие ОП также растет, но все время отстает от быстродействия аппаратных средств процессора потому, что одновременно происходит опережающий рост ее емкости, что делает более трудным уменьшение времени цикла работы памяти. Вследствие этого быстродействие ОП оказывается недостаточным для обеспечения требуемой производительности ЭВМ. Проявляется это в несоответствии пропускных способностей процессора и памяти. Для выравнивания их пропускных способностей и предназначена сверхоперативная буферная память небольшой емкости (как правило, не более 512 Кбайт) и повышенного быстродействия.
При обращении к блоку данных, находящемуся на оперативном уровне, его копия пересылается в сверхоперативную буферную память. Последующие обращения к этому блоку данных производится к буферной памяти. Поскольку время выборки из СОЗУ tСОЗУ много меньше времени выборки из оперативной памяти tОП, введение в структуру ЭВМ СОЗУ приводит к уменьшению эквивалентного времени обращения tэ по сравнению с временем обращения к оперативной памяти tОП:
tЭ = tСОЗУ + αtОП ,
где α = 1- q ,
а q – вероятность попадания, т. е. вероятность того, что блок данных, к которому производится обращение, находится в СОЗУ.
Все темы данного раздела:
Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ
Основным техническим параметром ЭВМ является ее быстродействие.Быстродействие ЭВМ - среднестатистическое число операций (кроме операций ввода, вывода и обращения к внешним запомина
Третье поколение (1964-1976)
Характеризуется широким применением интегральных схем (ИС) с многослойным печатным монтажом. ИС (кристалл) - это законченный функциональный блок, соответствующий сложной транзисторной схеме,
Пятое поколение (настоящее время)
Зарождается в недрах четвёртого поколения ЭВМ и в значительной мере определяется результатами работы Японского комитета по научным исследованиям в области ЭВМ. Согласно этому проекту ЭВМ пятого пок
Связь между функциональной и структурной организацией ЭВМ
Существуют два взгляда на построение и функционирование ЭВМ. Первый - взгляд пользователя, не интересующегося технической реализацией ЭВМ и озабоченного только получением некоторого набора функций
Обрабатывающая подсистема
Развитие обрабатывающей подсистемы в большей степени, чем всех остальных подсистем, идет по пути разделения функций и повышения специализации составляющих ее устройств. Создаются специальные средст
Подсистема памяти
Подсистема памяти современных компьютеров имеет иерархическую структуру, состоящую из нескольких уровней:
¨ сверхоперативный уровень (локальная память процессора, кэш-память первого и
Подсистема управления и обслуживания
Подсистема управления и обслуживания - это совокупность аппаратно-программных средств, предназначенных для обеспечения максимальной производительности, заданной надежности, ремонтопригодности, удоб
Архитектуры ЭВМ
Под архитектурой ЭВМ понимается функциональная и структурная организация машины, определяющая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических сре
SISD-компьютеры
Компьютеры с CISC архитектурой
Компьютеры с CISC(Complex Instruction Set Computer) архитектурой имеют комплексную (полную) систему команд, под управлением которой выполняются всевозможные операц
Компьютеры с суперскалярной обработкой
Еще одной разновидностью однопотоковой архитектуры является суперскалярная обработка. Смысл этого термина заключается в том, что в аппаратуру процессора закладываются средства, поз
SIMD-компьютеры
SIMD (Single Instruction Stream - Multiple Data Stream) или ОКМД - один поток команд и множество потоков данных. SIMD компьютеры состоят из одного командного процессора (управляюще
Матричная архитектура
Суть матричной структуры заключается в том, что имеется множество процессорных элементов, исполняющих одну и ту же команду над различными элементами вектора (потоков данных), объед
ММХ технология
Еще одним примером SIMD-архитектуры является технология ММХ, которая существенно улучшила архитектуру микропроцессоров фирмы Intel. Технология MMX представляет собой компромиссное
MISD компьютеры
Рис.2.4. MISD
MIMD компьютеры
Рис. 2.5. MIM
Многопроцессорные вычислительные системы
Сильно-связанные вычислительные системыили многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) основаны на объединении процессоров на общем поле оперативной памяти. Это поле называется разделяемой памя
Многопроцессорные вычислительные системы с общей шиной.
В МПВС с общей шиной(Shared Memory Proccessing – мультипроцессоры с разделением памяти, SMP-архитектура) все функциональные модули (процессоры П1, П2, ..., ПМ, модули памяти МП1, МП2, .... МПК, уст
Многопроцессорные вычислительные системы с многовходовыми модулями ОП.
В МПВС с многовходовыми модулями ОП или симметричных МПВС взаимные соединения выполняются с помощью индивидуальных шин, подключающих каждый процессор и каждое устройство ввода-вывода к отдельному в
Многомашинные комплексы
Вычислительные системы со слабой связью или распределенные вычислительные системы, как правило, представляются многомашинными комплексами, в которых отдельные компьютеры объединяют
ММР архитектура
Другим примером реализации слабосвязанной архитектуры являются системы с массовым параллелизмом (МРР), состоящие из десятков, сотен, а иногда и тысяч процессорных узлов. Строгой гр
Структура и форматы команд ЭВМ
Обработка информации в ЭВМ осуществляется путём программного управления.
Программа представляет собой алгоритм обработки информации, записанной в виде последовательности к
Форматы команд ЭВМ
В команде, как правило, содержатся не сами операнды, а информация объект адресах ячеек памяти или регистрах, в которых они находятся. Код команды можно представить состоящим из нескольких полей, ка
Способы адресации
Существует два различных принципа поиска операндов в памяти: ассоциативный и адресный.
Ассоциативный поиск операнда (поиск по содержанию ячейки) предполагает просмотр соде
Относительная адресация
Базирование способом суммирования.В команде адресный код Ак разделяется на две составляющие: Аб - адрес регистра в регистровой памяти , в котором хранится баз
Теги и дескрипторы. Самоопределяемые данные
Одним из эффективных средств совершенствования архитектуры современных ЭВМ является теговая организация памяти, при которой каждое хранящееся в памяти (или регистре) слово снабжается указателем - т
Логическая структура ЦП
Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные э
Характеристики процессора
Говоря о внутренней архитектуре процессора, не следует забывать и о его характеристиках, главная из которых – производительность, то есть число итераций, выполняемых за одну секунд
Регистровые структуры центрального процессора
Набор регистров и их структуры рассмотрим на примере процессоров Intel с CISC-архитектурой. Можно выделить следующие группы регистров:
1. Основные функциональные регистры (
Основные функциональные регистры
Содержимое этих регистров определяется текущей задачей, т.е. в эти регистры автоматически загружается новое значение при переключении задач.
Регистры общего назначения.Вос
ЦУУ с жесткой логикой.
Управляющее устройство с жесткой логикой (аппаратный тип) – представляет собой логическую схему, вернее совокупность логических схем, вырабатывающих распределенные во времени функциональные управля
ЦУУ с микропрограммной логикой
В управляющих автоматах с микропрограммной логикой каждой выполняемой машинной операции ставится в соответствие совокупность хранимых в памяти слов – микрокоманд.
Последов
Процедура выполнения команд
Стандартные фазы работы ЦП включают в себя:
¨ выборку команды, вычисление адреса и выборку операндов,
¨ выполнение команды и запись результатов,
¨ обработку п
ЯЗЫК МИКРООПЕРАЦИЙ
Микрокоманда – совокупность микроопераций, выполняемых параллельно во времени.
Микрооперация - элементарная функциональная операция, производящая какое-либо элементарное д
Описание слов, регистров и шин
Описание n-разрядного слова на языке микроопераций содержит его название - идентификатор и разрядный указатель. Разрядный указатель состоит из номеров старшего и младшего разрядов слова, разделенны
Описание микроопераций
Микрооперация осуществляет некоторое элементарное преобразование над данными. Это преобразование может быть логическим (выполняется над операндом поразрядно), арифметическим или функциональным.
АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
АЛУ – одна из основных функциональных частей процессора, осуществляющая непосредственное преобразование информации.
Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на сле
Структура алу
Обобщенная структурная схема АЛУ (рис. 7.1) включает:
- блок регистров для приема и размещения операндов и результатов;
- операционный блок, в котором осуществляется преобразовани
Сумматоры
Сумматоры АЛУ делятся:
¨ по типу использования для суммирования базовых элементов (комбинационные и накапливающие);
¨ по способу осуществления операции суммирования (после
Методы повышения быстродействия АЛУ
Одним из таких методов является реализация принципа локального параллелизма. Суть этого принципа – в распараллеливании во времени алгоритма выполняемой отдельно команды на ряд неза
Организация внутренней памяти процессора.
В архитектуре современных ЭВМ стал стандартным прием организации регистров общего назначения в виде СОЗУ с прямой адресацией (адреса регистров размещаются в команде). В машинах с коротким словом, в
Оперативная память и методы управления ОП
Оперативная память (system memory) - имеет относительно небольшую емкость - от 8 до 128 Мбайт (в некоторых машинах - больше). Количество и быстродействие оперативной памяти оказыва
Организация виртуальной памяти.
Виртуальная память возникла как средство решения проблемы размещения в ОП программ, размер которых значительно превышает имеющуюся в наличии свободную память.
Виртуальным
Страничное распределение.
Рис. 8.9. Страничное распределение памяти
Виртуальное адресное пространство каждого процесса (пр.1 и пр.2, см. рис. 8.9)
Сегментное распределение.
При страничной организации памяти ВА – пространство процесса делится на механически равные части. Это не позволяет дифференцировать способы доступа к разным частям программы (сегментам), а это свой
Странично - сегментное распределение.
Данный метод сочетает в себе достоинства обоих подходов, представляя собой их комбинацию. Всё виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, а каждый сегмент – на страницы. ОП при
Свопинг
Разновидностью виртуальной памяти является свопинг.
Для того, чтобы задача могла начать выполняться, она должна быть загружена в ОП, объем которой ограничен.
На рис. 8.14 показан
Выборка широким словом.
Прямой способ сокращения числа обращений к ОП состоит в организации. выборки широким словом. При выборке широким словом за одно обращение к ОП производится одновременное считывание (или запись) нес
Расслоение сообщений.
Другой способ повышения пропускной способности ОП связан с построением памяти, состоящей на физическом уровне из нескольких модулей (банков) с автономными схемами адресации, записи и чтения. При эт
Типовая структура кэш-памяти
Рассмотрим типовую структуру кэш-памяти (рис. 8.18), включающую основные блоки, которые обеспечивают её взаимодействие с ОП и центральным процессором.
Прямое распределение.
При прямом распределении место хранения строк в кэш-памяти однозначно определяется по адресу строки. Структура кэш-памяти с прямым распределением показана на рис. 8.19.
Полностью ассоциативное распределение.
При таком способе размещения данных каждая строка основной памяти может быть размещена на месте любой строки кэш-памяти. Структура кэш-памяти с полностью ассоциативным распределением выглядит как п
Частично ассоциативное распределение.
При данном способе размещения, несколько соседних строк (фиксированное число, не менее двух) из 128 строк кэш-памяти образуют структуру называемую группой. Структура кэш-памяти, основанная на испол
Распределение секторов.
По этому способу основная память разбивается на секторы, состоящие из фиксированного числа строк, кэш-память также разбивается на секторы, состоящие из такого же числа строк. Допустим, в секторе 16
Методы обновления строк в основной памяти
В таблице 8.1. приведены условия сохранения и обновления информации в ячейках кэш-памяти и основной памяти.
Если процессору требуется информация из некоторой ячейки основной памяти, а копи
Системы внешней памяти
Системы внешней памяти - это hard disc, то есть жесткий диск, floppy disc, то есть гибкий диск или дискета, CD-ROM и некоторые другие.
Жесткий диск, или винчестер (
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ПРЕРЫВАНИЯ ПРОГРАММ
Во время работы ЭВМ внутри нее самой или во внешней среде (в объекте, управляемом ЭВМ) могут возникнуть события, требующие немедленных ответных действий.
Прерывание программы
Характеристики системы прерываний
Для оценки эффективности систем прерываний могут быть использованы следующие характеристики:
Общее число запросов прерывания (входов в систему прерываний).
Программно-управляемый приоритет прерывающих программ
Относительная степень важности программ, их частота повторения, относительная степень срочности в ходе вычислительного процесса могут меняться, требуя установления новых приоритетных соотношений. П
Организация перехода к прерывающей программе
Вектор начального состояния прерывающей программы называют вектором прерывания.Он содержит всю необходимую информацию для перехода к прерывающей программе, в том числе ее начальный
Каналы ввода-вывода
Для разделения функций управления центральным процессором и периферийными устройствами в состав ЭВМ включаются дополнительные устройства - каналы ввода-вывода (КВВ), задачей которых является обеспе
ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТНЫХ ШИН
Типы и характеристики стандартных шин, используемых в настоящее время, приведены в таблице 10.1.
Табл. 10.1
Характеристики стандартных шин.
Тип/
Общие положения
Вычислительные системы относятся к категории сложных систем. При рассмотрении вопросов, связанных с их построением и функционированием, выделяют элементы системы и подсистемы как составные части ст
Понятие открытой системы
Широкое распространение информационно-вычислительных систем в самых разных областях современной жизни: промышленности, финансах, образовании и культуре, - делает актуальным вопрос о создании некото
Кластерные структуры
Кластерные структуры или просто кластеры являются самым дешевым способом наращивания производительности уже инсталлированных компьютеров.
Кластер представляет собой набор
Библиографический список
1. Большая Советская энциклопедия
2. Головкин Б.А. Параллельные вычислительные системы.-М.:Наука.- 1980.
3. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы.-М.:Энергия.-199
Новости и инфо для студентов