Архитектура ЭВМ 4 страница. В вычислительных системах обращения к памяти в значительной мере независимы, поэтому классические схемы расслоения памяти подвергаются модификации посредством

В вычислительных системах обращения к памяти в значительной мере независимы, поэтому классические схемы расслоения памяти подвергаются модификации посредством установки нескольких контроллеров доступа к памяти. На эффективность приёма существенно влияет частота обращения к памяти. Увеличение числа банков снижает вероятность одновременного обращения к одному и тому же банку памяти и, как следствие, увеличивает производительность оперативной памяти.

3.2.3. Синхронные и асинхронные запоминающие устройства

В микросхемах памяти требуется согласование во времени работы всех внутренних устройств микросхемы. Синхронным и микросхемами называются микросхемы, в которых работа всех устройств согласуется синхронизирующими импульсами. Асинхронные микросхемы начинают цикл чтения данных только при поступлении запроса от контроллера памяти. Если память не успевает выдать данные в очередном такте, то контроллер может их считать только в следующем такте, начинающемся с приходом очередного тактового импульса. В последнее время асинхронные микросхемы быстро вытесняются синхронными.

На рис. 3.6 показана организация микросхемы памяти. Основными её элементами являются матрицы из одноразрядных запоминающих элементов (ОЗЭ), организованные в строки и в столбцы. Двунаправленный регистр данных связывает информационные вывода микросхемы с шиной данных D₀…D_n-1.

Систему управления матрицами образуют: блок синхронизации и управления, регистры адресов строк и столбцов, дешифраторы строк и столбцов и двунаправленные усилители считывания/записи.

Рис. 3.6. Структурная схема интегральной микросхемы оперативной памяти

Приход сигнала CS выбора микросхемы порождает ярд сигналов управления и синхронизации:

· RAS и CAS – стробы (синхроимпульсы) строки и столбца, разрешающие работу регистров адресов строк и столбцов;

· WE – разрешение записи;

· OE – разрешение вывода данных.

Стробы строки и столбца разрешают работу регистров адресов строки и столбца, которые преобразуют адрес A₀…D_m-1 в пару чисел, являющихся адресами строки и столбца. Дешифраторы адреса строк и столбцов преобразуют многоразрядные параллельные двоичные коды в многоразрядные параллельные единичные коды, импульсы которых выбирают строки и столбцы матриц запоминающих элементов. Усилители считывания/записи передают адрес столбца на матрицы запоминающих элементов, а также соединяют двунаправленный регистр данных с выбранными запоминающими элементами ОЗЭ.

Комбинация импульсов WE и OE зависит от пришедшего сигнала Оп, определяющего операцию над данными (чтение или запись). При записи данных регистр данных направляет данные с шины данных в ОЗЭ, при чтении данных – с ОЗЭ на шину данных.

Временная диаграмма классической процедуры работы с памятью показана на рис. 3.7. Цикл работы с памятью состоит из трёх тактов. В начале первого такта выставляется адрес строки, в начале второго – адрес столбца и в начале третьего – данные на шине данных компьютера при записи и на выходах усилителей считывания/записи микросхемы при чтении данных. Активными уровнями сигналов RAS и CAS являются низкие уровни. По заднему фронту первого из них читается в регистр адреса строк адрес строки, по заднему фронту второго – адрес столбца попадает в регистр адреса столбца. Установка высоких потенциалов этих сигналов является сигналом считывания или записи данных.

Рис. 3.7. Классическая процедура

Отдельные микросхемы, которые не используют единый адрес ячейки, содержащий в каждый момент времени номер строки и номер столбца. Такие микросхемы используют мультиплексированную шину адреса, на которой в момент спада сигнала RAS устанавливается номер строки, а в момент спада сигнала CAS – номер столбца.

В микросхемах динамической памяти осуществляется ещё и регенерация памяти, т.е. восстановление уровней сигналов внутри микросхемы до нормального уровня. Эта процедура сводится к циклическому перебору ячеек памяти с операциями чтения-записи происходящими внутри самой микросхемы без участия внешнего её окружения. Существует два варианта регенерации памяти: распределённый и пакетный. В первом варианте через равномерные промежутки времени происходит регенерация одного столбца запоминающих элементов. Во втором варианте циклы регенерации столбцов собраны в пачки, которые периодически повторяются.

Регенерация осуществляется тремя основными методами:

· ROR – по одному сигналу RAS (является классическим методом);

· CBR – по сигналу CAS, предваряющему сигнал RAS;

· SR –автоматическая регенерация.

Существует несколько процедур (режимов) работы с памятью, ускоряющих доступ к данным:

· последовательный;

· регистровый;

· быстрый постраничный;

· пакетный;

· конвейерный;

· удвоенной скорости.

Последовательный режим является вариантом реализации классической процедуры и сводится к установке адреса данных и управляющих сигналов до прихода синхронизирующего импульса. В момент прихода синхронизирующего импульса начинается цикл работы с данными, в ходе которого сначала происходит чтение данных, а спустя некоторое время – вывод данных на шину данных.

Регистровый режим применяется достаточно редко. Для его реализации на выходе микросхемы устанавливается промежуточный выходной регистр (Latch). Считанные данные запоминаются в регистре и по спаду синхроимпульса передаются на шину данных компьютера.

Быстрый постраничный режим характерен однократной установкой адреса строки, и многократным повторением установки адреса столбца и данных.В пакетном режиме данные читаются или записываются много кратно при фиксированных адресах строки и столбца. В конвейерном режиме работа с данными происходит так же, как и в пакетном, но во время передачи данных из предшествующего цикла на шину данных происходит запрос на следующую операцию чтения. Таким образом, циклы работы с данными частично перекрываются.

Режим удвоенной скорости предусматривает использование переднего и заднего фронтов синхронизирующего импульса в отличие от предшествующих режимов, использующих только задний фронт синхронизирующего импульса.

Для микросхем памяти применяются следующие аббревиатуры:

· SRAM – статическое асинхронное ОЗУ;

· SSRAM – статическое синхронное ОЗУ;

· DRAM – динамическое асинхронное ОЗУ;

· SDRAM – динамическое синхронное ОЗУ.

Эволюция динамических ОЗУ [1] показана на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Эволюция микросхем динамических ОЗУ

Классическими DRAM являются микросхемы DRAM последовательным режимом чтения. Следующим поколением стали микросхемы FPM с быстрым постраничным чтением, дальнейшее совершенствование постраничного чтения привело к появлению микросхем EDO с гиперстраничным чтением. Линия асинхронных микросхем динамической памяти завершилась микросхемами BEDO, в которых сочетались пакетный и конвейерный режимы [1].

Первыми микросхемами синхронной динамической памяти были микросхемы, реализующие технологии DDR и RDRAM. Технологии DDR реализуют способ удвоенной скорости чтения данных по переднему и заднему фронтам тактовых импульсов. Усовершенствование технологии привело к появлению микросхем DDR2, DDR3 и, в перспективе, к появлению DDR4. Микросхемы DDR имеют обозначения в формате DDRx-yyyy, где х – поколение микросхемы, yyyy – эффективная частота DDR, вдвое превышающая максимальную реальную частоту тактовых импульсов.

В состав микросхем использующих технологию DDR помимо ячеек памяти входит буфер ввода/вывода, который называется также буфером предвыборки. В каждом тактовом периоде в него передаются 2, 4 и 8 бит для микросхем DDR, DDR2 и DDR3 соответственно. Появление микросхем DDR4 запланировано фирмами на 2012 год. Количество бит, выбираемых из ОЗУ, в настоящее время вследствие технической сложности ограничено 64 битами при частоте 1600 – 2000 МГц.

Микросхемы RDRAM обеспечивают более высокую частоту, но ограничивают объём выборки данных до 16 битов, но при более высокой частоте. Несмотря на кажущуюся перспективность RDRAM, большинство фирм от таких микросхем в настоящее время отказались.

Дальнейшее повышение производительности микросхем памяти возможно за счёт увеличения числа каналов в контроллерах доступа к памяти, которые могут быть как составными частями микропроцессора, так и частью микросхем чипсета (комплекса микросхем на системной плате). В настоящее время микропроцессоры ВМ ориентированы на трёхканальную память на микросхемах DDR3. Запланирована поддержка четырёхканальной памяти.

Появление многопроцессорных систем потребовало обеспечить быстрый доступ к памяти одновременно для двух и более процессоров. Обычные микросхемы памяти имеют одну шину адреса и одну шину данных. Для статических запоминающих устройств, выполненных на триггерах, оказалось возможным ввести в запоминающий элемент систему управления, обеспечивающую подачу сигнала выборки бита и ввод-вывод бита по двум направлениям. Такие микросхемы получили название двухпортовых ОЗУ.

Следует отметить особенности микросхем памяти для видеоадаптеров. Часто при создании движущихся изображений достаточно не пересылать из процессора в видеоадаптер весь образ изображения, а перемещать в памяти видеоадаптера соответствующий набор битов с одного места на другое. На память видеоадаптера можно возложить также и операции изменение цвета точек изображения. Для видеоадаптеров применяются микросхемы VRAM и микросхемы GDDR2 – GDDR5, использующие технологию DDR. В микросхемах VRAM использована архитектура, обосабливающая операции по обмену данными между ядром микросхемы памяти и процессором от операций по выдаче сигналов формирования изображения. В микросхемах GDDR2 – GDDR5 снижены требования к потребляемой мощности и рассеиваемому теплу и уменьшены размеры буфера предвыборки на одну ступень. Поэтому GDDR4 реализует технологию DDR3, а GDDR5 – технологию DDR4.

3.3. Очередь и стек, их назначение и система адресации.

Очередь и стек – это особые формы организации памяти с автоматическим определением адресов записи чтения данных. Для их организации используются ячейки памяти со смежными адресами, т.е. расположенные в запоминающем устройстве одна за другой, и специальные ячейки для хранения адресов размещаемых в них и извлекаемых из них данных (рис. 3.10). Цифрам в таблице обозначены данные, помещённые в очередь или стек, Д1 – записываемые данные, Д2 – извлекаемые данные, А1 и А2 – адреса начала и конца очереди или стека, L – длина очереди в байтах.

Очередь организуется по принципу первым "пришёл – первым ушёл", т.е. записываемые данные ставятся в конец очереди, а читаемые – в начало. По мере чтения данных происходит продвижение оставшихся данных на одну позицию вправо. Это напоминает обычную очередь на обслуживание, например, живую очередь в кассу магазина. В специальных ячейках памяти хранятся адреса начала очереди и её конца. Возможно вычисление адреса извлекаемых данных по адресу начала очереди А1 и длине очереди в байтах L.

а)

б)

Рис. 1.2. Организация очереди (а) и стека (б)

Стек организуется по принципу "последний пришёл – первый ушёл" и напоминает детскую пирамидку – основание и перпендикулярный к нему стержень, на который надеваются кольца. Адрес А1 называется вершиной стека. При записи данных в стек адрес увеличивается на длину данных и стек наращивается в сторону увеличения адреса, т.е. длина стека растёт влево.

Предельные длины стека и очереди фиксируются как служебная информация. Переполнение стека и очереди, а также попытка чтения данных из пустых указанных структур является нештатной ситуацией и может вызвать как сообщение об ошибке выполнения программы, так и крах операционной системы, самым лучшим исходом которого является "зависание программы", т.е. отсутствие реакции вычислительной машины на любые действия оператора.

Контрольные вопросы

1. Что такое архитектура и микроархитектура микропроцессора?

2. Объясните смысл аббревиатур CISK, RISK и MISK, обозначающих типы микропроцессоров.

3. Каким образом в RISK-микропроцессорах реализуется расширенный набор команд? Что даёт такой способ реализации.

4. Что такое режим реальной адресации памяти? Приемлем ли он в мультипрограммном режиме работы вычислительной установки? Почему?

5. Что такое защищённый режим? Приемлем ли он для мультипрограммного режима работы вычислительной установки? Почему?

6. Перечислите основные внутренние устройства микропроцессора. Как они объединяются в единую систему?

7. Что такое сегментные регистры. Как используются сегментные регистры CS, DS, SS?

8. Как обрабатываются команды в микропроцессоре?

9. Что такое регистры общего назначения? На какие части они разбиваются? Приведите примеры. Как указываются расширения регистров общего назначения?

10. Каково назначение регистра команд?

11. Какие блоки микропроцессора служат для обработки данных?

12. Что такое флаги? Каково назначение регистра флагов?

13. Каким образом повышается производительность процессора при выполнении обычных команд?

14. Что такое очередь команд и как она повышает производительность микропроцессора?

15. Что такое конвейерная обработка команд? Каким образом она повышает производительность микропроцессора?

16. Что такое технология предсказания переходов? Каким образом она влияет на производительность микропроцессора? Почему?

17. Что такое технология исполнения по предположению? Как она влияет на производительность микропроцессора? Почему?

18. Как в микропроцессоре аппаратно поддерживаются операции с плавающей точкой?

19. Что такое расширение MMX? Как она поддерживается аппаратно?

20. Что такое технология 3Dnow!?

21. Нарисуйте схему увеличения разрядности оперативной памяти? Пояснимте её действие.

22. Дайте определение понятий микросхема, модуль, банк памяти, блок памяти.

23. Что такое адрес памяти? Из каких компонент он состоит при блочной организации памяти?

24. Поясните идею блочно, циклической и блочно-циклической схем построения адресов.

25. Нарисуйте схему блочного ОЗУ с блочной схемой построения адреса. Поясните её работу.

26. Нарисуйте схему блочного ОЗУ с циклической схемой построения адреса. Поясните её работу.

27. Нарисуйте схему адресации ячеек памяти при блочно-циклической схеме построения адреса. Поясните её работу.

28. Из каких элементов состоит микросхема памяти? Как определяется адрес конкретного запоминающего элемента?

29. Перечислите сигналы управления микросхемой памяти и поясните их назначение.

30. Как многоразрядный адрес элемента памяти преобразуется в реальный адрес ячейки внутри микросхемы?

31. Нарисуйте и поясните классическую временную диаграмму обмена данными между системной шиной и микросхемой памяти.

32. Что такое регенерация памяти? Как она осуществляется распределённом и пакетном способах?

33. Что такое методы ROR, CBR, SR регенерации памяти?

34. Что такое последовательный и регистровый; режимы работы с памятью?

35. Что такое быстрый постраничный, пакетный, конвейерный режимы работы с памятью?

36. Что такое режим удвоенной скорости работы с памятью?

37. Чем отличаются синхронные микросхемы от асинхронных?

38. Дайте расшифровку обозначений SRAM, SSRAM, DRAM, SDRAM.

39. Какие режимы работы с памятью использованы в микросхемах DRAM, FPM, EDO, BEDO?

40. Что такое DDR-технология? Как она реализуется в синхронных микросхемах?

41. Каково отличие микросхем памяти видеоадаптеров с точки зрения команд доступа к памяти от обычных микросхем памяти?

42. Что такое стек? Какова система его адресации?

43. Что такое очередь? Какова система её адресации?

4. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

4.1. Характеристики, организация, и принципы работы
внешней памяти ЭВМ и ВС.

Устройствами внешней памяти называются устройства, которые не находятся на системной плате вычислительной машины.

Они имеют следующие общие характеристики:

· место расположения – конструктивное исполнение (отдельные конструкции, встраиваемые в вычислительную машину блоки);

· ёмкость – физический объём информации, размещаемой на устройстве памяти, измеряемый в мегабайтах, гигабайтах, терабайтах и петабайтах;

· единица пересылки – название и объём данных, пересылаемых за одну операцию записи или считывания, обычно единица пересылки – блок, превышающий размер машинного слова;

· метод доступа – способ нахождения места на носителе для записи или чтения данных (последовательный или прямой);

· быстродействие – характеристика, определяющая время, за которое данные могут быть получены из устройства памяти, характеризуется временем доступа T_Д или средним временем считывания/записи Т_N;

· физический тип – сведения о принципе действия и технологии записи: полупроводниковая память, магнитная память, оптическая память;

· физические особенности – как правило энергозависимость или энергонезависимость памяти;

· стоимость – отношение стоимости устройства к объёму информации, которая может быть размещена на устройстве.

Характеристика "время доступа" применяется к запоминающим устройствам с перемещающимися органами чтения/записи и определяется как время, затрачиваемое на установку органа чтения/записи в нужную позицию относительно поверхности, хранящей информацию.

Характеристика "среднее время считывания или записи" применяется для данных, имеющих заранее указанный объём из N бит, находящихся на носителе или записываемых на него. Оно определяется выражением:

где Т_А – среднее время доступа, с;
N – количество пересылаемых бит;
R – скорость пересылки данных, бит/с.

Последовательный способ доступа предусматривает хранение информации в виде последовательных блоков данных, называемых записями. Доступ к любой записи возможен только после обработки всех предшествующих записей, осуществляемой хотя бы формально (т.е. прочитать и не использовать или записать пустую или содержащую произвольные данные запись). Примером устройства с последовательным доступом является накопитель на магнитной ленте.

Прямой доступ предусматривает возможность доступа к записи по её адресу на носителе. К устройствам прямого доступа относятся, например, накопители на магнитных дисках.

Внешняя память организована на отдельных физических устройствах – накопителях информации. Как правило, накопители называются физическими дисками[10]. Магнитные физические диски могут быть разделены на разделы, которые для пользователя представляются независимыми устройствами. Разделы магнитных дисков и физические твердотельные и оптические диски обозначаются буквами латинского алфавита и, в этом случае, называются логическими дисками. Каждый физический диск имеет свою внутреннюю организацию, которая будет рассмотрена ниже.

В основе работы накопителей на магнитных носителях лежит способность ферромагнитных материалов (железа, феррита и т.д.) сохранять магнитное состояние, заданное внешним магнитным полем даже после прекращения его воздействия. Магнитное поле намагниченного элемента поверхности носителя можно обнаружить по его силовому воздействию на проводник с током. Величина силы воздействия характеризует интенсивность (силу) магнитного поля, а направление силы воздействия – направление магнитного поля. Обобщённой характеристикой магнитного поля является его индукция В, которая является векторной величиной и показывает как силу воздействие магнитного поля на проводник с током, так и направление указанной силы. Вектор магнитной индукции может быть как параллелен поверхности носителя, так и перпендикулярен ей.

Накопители на оптических дисках используют способность ряда материалов деформироваться или изменять своё оптическое состояние под действие лазерного луча. В обоих случаях поверхность носителя, подвергшаяся воздействию лазерного луча достаточной интенсивности, теряет отражающую способность и при считывании воспринимается как тёмная точка. Поверхность, не подвергшаяся воздействию сильного лазерного луча, воспринимается при чтении как светлая поверхность с "идеальным" отражением.

Твердотельные накопители основаны на известной FLASH-технологии. В её основе лежат полевые транзисторы с плавающим затвором. Схема запоминающего элемента и его структура показаны на рис. 4.1.

а)

б)

Рис. 4.1. Структура полевого транзистора (а) и схема запоминающего элемента (б)

Полевой транзистор имеет два электрода силовой цепи исток (И) и сток (С) и управляющий электрод – затвор (З). Он состоит (рис. 4.1,а) из бруска полупроводникового материала, концы которого являются истоком и стоком, на который напылён затвор. Между затвором и бруском полупроводникового материала помещён плавающий затвор, в котором число электронов может меняться. "Логической единице" соответствует малое количество электронов (менее 5000) в плавающем затворе, о "логическому нулю" – большое (более 30000).

Особенностью полевого транзистора является очень высокое входное сопротивление между управляющим электродом и истоком и стоком. Поэтому в управляющей цепи ток практически отсутствует, и заряды в плавающем затворе могут сохраняться бесконечно долго.

При появлении на затворе сигнала выбора слова сток присоединяется к линии бит, которая обеспечивает приток или отток электронов в плавающий затвор при записи данных и появление нулевого потенциала на линии бит при чтении данных.

4.2. Накопители на магнитных дисках для устройств памяти
с прямым доступом

Накопители на магнитных дисках в настоящее время выполняются с круглыми несъемными носителями, называются жесткими дисками и обозначаются HDD[11]. По конструкции различают дисковые накопители (далее дисководы) с подвижными и неподвижными головками считывания/записи, а также дисководы с одной пластиной (диском) и дисководы с несколькими пластинами (рис. 4.2).

а)	б)
в)	г)
Рис. 4.2. Жёсткий диск с одной пластиной (а), с двумя пластинами (б), с одной перемещающейся головкой (в) и с несколькими неподвижными головками (г)

На рис. 4.2,а показан дисковод с одной односторонней пластиной и одной головкой записи/считывания. Головка расположена на рычаге, который перемещает головку от периферии к центру диска. На рис. 4.2,б показан дисковод с двумя двухсторонними пластинами, т.е. магнитный слой нанесён на обе поверхности каждой пластины. Соответственно дисковод имеет четыре головки записи/считывания, закрепленные на механически связанных рычагах, которые перемещают головки. Диски (рис. 4.2,а и 4.2,б) закреплены на вращающемся шпинделе. Угловая скорость вращения шпинделя доходит до 15000 об/мин.

Единственная головка должна перемещаться по поверхности диска
(рис. 4.2,в). Однако существуют дисководы с несколькими фиксированными в пространстве головками (рис. 4.2,в). Современные дисководы имеют головки малых размеров, причём записывающая головка является катушкой провода, по которой протекают импульсы тока, а считывающая – магниторезистором, меняющим своё состояние под действием магнитного поля. Головки имеют малую массу. В начальный момент они соприкасаются поверхностью носителя, однако при запуске диска они отрываются от неё, т.к. вращающийся диск создаёт воздушную подушку.

На поверхности пластины магнитным способом сформатированы концентрические дорожки, имеющие ширину головки записи/считывания (рис. 4.2,в,г). Дорожки разделены промежутками для предотвращения помех. Для многодисковых приводов существует понятие "цилиндр" – множество дорожек, принадлежащих разным поверхностям дисков и имеющих одинаковый диаметр.

Обмен информации дорожками осуществлять нецелесообразно, т.к. блок данных на дорожке получается очень большой по сравнению с размерами хранящихся файлов. Поэтому дорожку разбивают на отрезки, которые называются секторами. На рис. 4.2,а,б показано такое разбиение на примере одной дорожки (остальные не показаны для того, чтобы не загромождать рисунки). Пример формата сектора показан на рис. 4.3 [1]. Назначение частей сектора в целом понятно из их названий. Поле циклического контроля содержит информацию, необходимую для обнаружения ошибок.

Промежуток

Байт синхронизации

Номер дорожки

Номер головки

Номер сектора

Циклический контроль

Промежуток

Байт синхронизации

Данные

Циклический контроль

Рис. 4.3. Формат одного сектора диска Seagate ST 506

В простейшем случае угловые размеры секторов для всех дорожек могут быть одинаковы. Это означает, что плотность записи снижается по мере удаления головки от центра диска. Для того, чтобы устранить этот недостаток, поверхность диска разбивается по радиусу на несколько зон. Для каждой зоны устанавливается своя угловая скорость вращения шпинделя. По мере перемещения головки угловая скорость шпинделя регулируется. Поэтому угловые размеры секторов уменьшаются по мере удаления от центра, но остаются неизменными в пределах зоны.

Несмотря на высокие показатели работы жёстких дисков не прекращаются работы по повышению их быстродействия и отказоустойчивости. Одним из самых перспективных направлений в настоящее время являются RAID-системы, предполагающие создание массивов жёстких дисков. Множество независимых дисководов образуют массив жёстких дисков, который управляется операционной системой как один жёсткий диск большой ёмкости.

Повышение быстродействия достигается приёмом "расслоение", описанным в разделе "Управление памятью" (рис. 4.4). Цилиндры изображают жёсткие диски разных дисководов. Пронумерованные слои изображают секторы дисков или иные единицы пересылки данных.

Рис. 4.4. RAID-массив жёстких дисков

Наличие нескольких независимых дисков позволяет читать одновременно несколько секторов с разных накопителей, т.е. объём пересылаемых за один сеанс обмена данных увеличивается, и как следствие увеличивается быстродействие дисковой системы. Множество секторов, участвующих в сеансе называется лентой.

Дальнейшее повышение производительности достигается кэшированием дисков. Идея кэширования рассмотрена выше.

Дата добавления: 2015-04-25