Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

Центральные устройства ЭВМЦентральные устройства ЭВМ

Вычислительные системы, сети и телекоммуникацииВычислительные системы, сети и телекоммуникации

Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти называется запоминающим устройством (ЗУ).запоминающим устройством (ЗУ).

ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных.

Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации.

Классификация запоминающих устройств:

– основная (оперативная) память,– сверхоперативная память (СОЗУ),– внешние запоминающие устройства.



Основная память включает два типа устройств:

- оперативное запоминающее устройство(ОЗУОЗУ или RAM - Random Access Memory)

- постоянное запоминающее устройство(ПЗУПЗУ или ROM - Read Only Memory)



ОЗУ предназначено для хранения переменной информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения и хранения.



ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, например стандартные программы и константы.

Чаще всего информация заносится в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ, но есть и перезаписываемые ПЗУ.

Основными операциями, которые может выполнять ПЗУ, являются чтение и хранение.

ПЗУ является энергонезависимым элементом



Базовым запоминающим элементом ОЗУ являются элементы, имеющих два устойчивых состояния, которые могут меняться извне.

Таковым элементом может быть:

– бистабильная ячейка

– триггер

– магнитный элемент с катушкой перемагничивания и др.


+5 в

0 в

«1»

«0»


Принцип работы ПЗУ - наличие «0» или «1» на выходеФункции элементов памяти в ПЗУ выполняют перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов.

Занесение информации в микросхему ПЗУ называется ее программированием, а устройство, с помощью которого заносится информация, - программатором. Программирование ПЗУ заключается в устранении (прожигании) перемычек



Основной составной частью ОЗУ является массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицуПри матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП.

Адрес делится на две части (две координаты) -Х и Y.

На пересечении этих координат находится элемент памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена.



ОЗУ связано с остальным микропроцессорным комплектом ЭВМ через системную магистраль (СМ)



По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.

По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее.

По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти



Элементы памяти матрицы группируются блоками (обычно равными или кратными байту), часто называемые ячейками памятиячейками памяти.

Адресация производится только к ячейке памяти.Максимальная емкость памяти определяется количеством (m) линий в

шине адреса системной магистрали: 2m.

IBM PC XT шина адреса CM содержит 20 линий - максимальный объем ОП

220

байт = 1Мбайт.IBM PC AT CM содержит 24 линии - максимальный объем ОП 16Мбайт.

Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный

объем ОП 232

байта = 4Гбайта



Микросхемы памяти могут строиться на статических (SRAM) и динамических (DRAM) ЭП.

В качестве статического ЭП чаще всего выступает статический триггер.

В качестве динамического ЭП может использоваться электрический конденсатор, сформированный внутри кремниевого кристалла.



Статические ЭПСтатические ЭП способны сохранять свое состояние (0 или 1) неограниченно долго (при включенном питании).

Динамические ЭПДинамические ЭП с течением времени записанную в них информацию теряют (например, из-за саморазряда конденсатора), поэтому они нуждаются в периодическом восстановлении записанной в них информации - в регенерации.



Микросхемы элементов памяти динамических ОЗУ отличаются от аналогичных ЭП статических ОЗУ меньшим числом компонентов в одном элементе памяти, в связи с чем имеют меньшие размеры и могут быть более плотно упакованы в кристалле.

Из-за необходимости регенерации информации динамические ОЗУ имеют более сложные схемы управления.



Основными характеристиками ОЗУ являются объем и быстродействие.

Объем современных ОЗУ практически ограничен только разрядностью системной магистрали.

Быстродействие чаще всего определяют через время доступа (1-10 нсек)



На производительность ЭВМ влияют не только время доступа, но и такие параметры (связанные с ОЗУ), как тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали.

Если тактовая частота недостаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения.

При тактовой частоте, превышающей возможности ОЗУ, в ожидании будет находиться системная магистраль, через которую поступил запрос в ОЗУ.

Разрядность шины данных (8, 16, 32 или 64 бита) определяет длину информационной единицы, которой можно обменяться с ОЗУ за одно обращение



Интегральной характеристикой

производительности ОЗУ с учетом частоты и

разрядности является пропускная пропускная

способностьспособность, которая измеряется в мегабайтах

в секунду.



Сверхоперативные ЗУ используются для хранения небольших объемов информации и имеют значительно меньшее время (в 2 - 10 раз) считывания/записи, чем основная память.

СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах



По назначению регистры делятся на регистры хранения и регистры сдвига.

Информация в регистры может заноситься и считываться либо параллельно, сразу всеми разрядами, либо последовательно, через один из крайних разрядов с последующим сдвигом занесенной информации.

Сдвиг записанной в регистр информации может производиться вправо или влево.

Если регистр допускает сдвиг информации в любом направлении, он называется реверсивнымреверсивным..



Регистры могут быть объединены в единую структуру.Возможности такой структуры определяются способом доступа и адресации регистров.

Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом.

Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти:

- магазинного типа,

- память с выборкой по содержанию(ассоциативные ЗУ).



Память магазинного типа образуется из последовательно соединенных регистров



При записи в регистровую структуру (рис. а) через один регистр, а считывание - через другой, то такая память является аналогом линии задержки и работает по принципу «первым вошел - первым вышел» (FIFO - first input, first output).

При записи и чтении через один и тот же регистр (рис. б), такое устройство называется стековой стековой памятью,памятью, работающей по принципу «первым вошел - последним вышел» (FILO - first input, last output)



Память с выборкой по содержанию является безадресной.безадресной.

Обращение к ней осуществляется по специальной маске, которая содержит поисковый образ.

Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске



В микропроцессорах ассоциативные ЗУ используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы.

При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или требуемым операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес, если искомая информация имеется в СОЗУ, то она будет сразу выдана.

Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ.

За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОП, а это позволяет экономить время, так как обращение к СОЗУ требует в 2 - 10 раз меньше времени, чем обращение к ОП



Кэш-память двух типов:

кэш-память I уровнякэш-память I уровня –– встроенная в кристалл процессора память

объем от 16 кбайт,время доступа: 5 - 10 нс

кэш-память II уровня – кэш-память II уровня – в виде отдельной микросхемы (внешняя кэш-память)

объем от 256 кбайт,время доступа: 15 нс

Размещение информации в основной памяти IBM PCРазмещение информации в основной памяти IBM PC


Адресуемой единицей информации основной памяти IBM PC является байтбайт.

В младших адресах располагаются блоки операционной системы (векторы прерываний, зарезервированная область памяти BIOS, драйверы устройств, дополнительные обработчики прерываний DOS и BIOS, командный процессор операционной системы).



После операционной системы располагается область памяти, отведенная пользователю. Область памяти пользователя заканчивается адресом 9FFFF.

Этот адрес является физической границей оперативного ЗУ, последним адресом 640-Кбайтовой основной памяти.

Остальное адресное пространство (128 Кбайт с адреса АОООО по BFFFF) отведено под видеопамять, которая физически размещается не в ОП, а в адаптере дисплея.



После видеопамяти расположено адресное пространство (256 Кбайт) постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), хранящего программы базовой системы ввода-вывода (BIOS — Basic Input-Output System).

Эта часть ОП еще называется ROM-BIOS. Из отведенных 256 Кбайт непосредственно ПЗУ занимает 64 Кбайта, а остальные 192 Кбайта оставлены для расширения ПЗУ.



Запись в ОП (и чтение из нее) может осуществляться не только байтами, но и машинными словами.

Машинное словоМашинное слово характеризуется не всеми адресами занятых байтов, а только одним - адресом младшего байта слова.

При записи слова младший байт размещается по адресу, который является адресом машинного слова, старший байт машинного слова размещается в следующем по порядку байте ОП, имеющем номер, увеличенный на 1 (здесь действует мнемоническое правило «младший байт — по младшему адресу»).

7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0

Старший байт Младший байт

Номера разрядовв байтах



При чтении из ОП двух следующих подряд байтов машинного слова их принято размещать слева направо: сначала первый из прочитанных байтов (с меньшим адресом), а затем — следующий. В результате происходит «вращение» байтов.

7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0

Старший байтМладший байт

Номера разрядовв байтах



При записи отдельных байтов каждый байт располагается в ОП по своему адресу, при чтении никакого вращения не происходит.

При записи же в ОП единиц информации; имеющих в своем составе больше одного байта, адресом информационной единицы является адрес самого младшего байта, запись в ОП ведется побайтно, начиная с самого младшего байта, каждый последующий байт располагается в ячейке, адрес которой на 1 больше предыдущего.

Иными словами, запись машинного или двойного слова производится справа налево, тогда как при чтении считанные байты обычно располагаются слева направо — происходят «вращение» байтов, перестановка их местами, что необходимо учитывать при работе с ОП на физическом уровне.

Documents

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации