Архитектура ЭВМ 6 страница. 3. 3. Очередь и стек, их назначение и система адресации

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

Что такое архитектура и микроархитектура микропроцессора?

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

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

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

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

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

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

Как обрабатываются команды в микропроцессоре?

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

Каково назначение регистра команд?

Какие блоки микропроцессора служат для обработки данных?

Что такое флаги? Каково назначение регистра флагов?

Каким образом повышается производительность процессора при выполнении обычных команд?

Что такое очередь команд и как она повышает производительность микропроцессора?

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

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

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

Как в микропроцессоре аппаратно поддерживаются операции с плавающей точкой?

Что такое расширение MMX? Как она поддерживается аппаратно?

Что такое технология 3Dnow!?

Нарисуйте схему увеличения разрядности оперативной памяти? Пояснимте её действие.

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

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

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

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

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

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

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

Перечислите сигналы управления микросхемой памяти и поясните их назначение.

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

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

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

Что такое методы ROR, CBR, SR регенерации памяти?

Что такое последовательный и регистровый; режимы работы с памятью?

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

Что такое режим удвоенной скорости работы с памятью?

Чем отличаются синхронные микросхемы от асинхронных?

Дайте расшифровку обозначений SRAM, SSRAM, DRAM, SDRAM.

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

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

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

Что такое стек? Какова система его адресации?

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.

Массив дисков позволил решить и проблемы защиты от отказа жёстких дисков и защиты от передаваемой информации от искажений. Защита от искажений требует в первую очередь осуществить обнаружение ошибки. Массив дисков позволяет ввести избыточность кодирования и помещать вместе с данными служебную информацию, а также ставить в соответствие одному символу несколько кодовых комбинаций, которые не пересекаются с кодовыми комбинациями близлежащего символа.

Решить проблем защиту от отказа жёсткого диска позволяет приём зеркалирования (рис. 4.5). Зеркалирование предполагает параллельную запись инфор-

Рис. 4.5. RAID-массив с зеркалированием

мации сразу на два диска. Таким образом, один диск является как бы зеркальным отображением другого. На рисунке показаны две пары зеркальных дисков. Наличие двух пар повышает производительность, а наличие зеркал позволяет сохранить данные и программы в случае отказа одного из дисков зеркальной пары.

Описанные идеи легли в основу RAID-массивов 8 основных уровней и
4-х составных уровней, являющихся комбинациями основных. К числу основных уровней относятся RAID-массивы уровней:

RAID 0 – простой RAID-массив, повышающий производительность;

RAID 1 – простой RAID-массив с дублированием (зеркалированием);

RAID 2 – RAID-массив с использованием кода Хэмминга для коррекции и обнаружения ошибок;

RAID 3 – RAID-массив с параллельной передачей данных и контролем чётности;

RAID 4 – RAID-массив независимых дисков с диском паритета;

RAID 5 – RAID-массив независимых дисков с распределённым паритетом;

RAID 6 – RAID-массив независимых дисков с двумя независимыми распределёнными схемами паритета;

RAID 7 – RAID-массив оптимизированный для повышения производительности (с кэшированием дисков).

RAID-системы могут быть реализованы программным, аппаратным и комбинированным способом. Программный способ самый дешёвый, но и самый малоэффективный. Он предусматривает реализацию RAID-систем посредством команд операционной системы, позволяет реализовать RAID-системы различных уровней с использованием стандартных дисководов.

Аппаратным способом системы реализуются двумя способами. Первый предусматривает применение стандартных дисководов и специального контроллера. Операционная система общается с ним на уровне обычных команд ввода-вывода. Второй способ предусматривает выполнение RAID-системы в виде отдельного устройства, объединяющее в одном корпусе и массив дисков, и контроллер.

Идея кэширования вполне применима и к дисковым накопителям. Относительно невысокая скорость доступа к данным объясняется тремя причинами:

необходимы затраты времени на перемещение головки чтения/записи на нужную дорожку;

существуют затраты времени на погашение вибрации головки;

необходимы затраты времени на перемещение нужного сектора под головку чтения/записи.

Дисковый кэш – промежуточное звено между магнитным диском и оперативной памятью. Имеет большую ёмкость до 8 Мбайт. Изготавливается по технологиям полупроводниковой памяти. Современные дисководы уже имеют в своём составе дисковый кэш и поддерживают механизм переключения потока данных на прохождение через кэш и мимо кэша.

4.3. Накопители на магнитных носителях для устройств памяти
с последовательным доступом.

Накопители на магнитных носителях с последовательным доступом используют в качестве носителя магнитную ленту и используются в качестве устройств резервного копирования. В ленточных накопителях используется тот же принцип записи, что и накопителях на магнитных дисках – изменение магнитного состояния вещества, покрывающего полистироловую ленту. Накопители классифицируются по следующим признакам: исполнению лентопротяжного механизма (ЛПМ), числу дорожек записи, способу записи и исполнению накопителя (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Классификация накопителей на магнитной ленте

В зависимости от устройства механизма протяжки ленты различают два вида накопителей на магнитной ленте: кассетные и картриджные (рис.4.7). В обоих вариантах лентопротяжные механизмы включают в себя: привод кассет, приёмную (а) и подающую (б) бобины с лентами, направляющие ролики. Бобины насаживаются на вращающиеся валы привода движения ленты, обеспечивающие перемотку ленты с относительно невысокой скоростью во время процесса чтения/записи. Перемотка ленты при поиске данных и от начала к концу и обратно происходит на повышенной скорости. В кассетном ЛПМ обе бобины помещены внутри корпуса кассеты, а в картриджном внутри корпуса картриджа помещена только одна.

а)

б)

Рис. 4.7. Кассетный (а) и картриджный (б) лентопротяжные механизма

Чтение и запись данных в накопителях на магнитной ленте осуществляется головкой чтения/записи, которая имеет непосредственный контакт с лентой. Головка может быть однодорожечной (в настоящее время практически не применяется) и многодорожечной.

Все способы записи предусматривают размещение данных на ленте блоками, как и на диске, однако позиционирование головки на ленте занимает большой промежуток времени. Поэтому такие накопители обеспечивают последовательный доступ к данным, а не прямой. Блоки данных на ленте называются физическими записями и отделяются друг от друга межблочными промежутками. В конце каждого блока помещается специальная магнитная метка (маркер) "конец блока", а в конце ленты помещается маркер "конец ленты".

Схемы записи данных на четырёх дорожках показаны на рис. 4.8. Цифрами обозначены номера блоков. Линейный способ записи предусматривает запись блоков данных вдоль ленты от начала до конца. Однодорожечный способ записи в настоящее время практически не применяется. Возможна запись смежных блоков на смежных дорожках (рис. 48,а). Между блоками имеются межблочные промежутки, занимающие полосы, ориентированные перпендикулярно оси ленты.

 

					…
					…
					…
					…

Направление движения
ленты

а)

 

					…	n-3
					…	n-2
					…	n-1
					…	n
2n-3		…		n+8		n+4
2n-2		…		n+9		n+5
2n-1		…		n+10		n+6
2n		…		n+11		n+7

Направление движения
ленты

б)

Направление движения
ленты

в)

Рис. 4.8. Линейный (а), серпантинный (б) и наклонно-строчный (в) способы записи

Более современный серпантинный способ предусматривает движение ленты в двух направлениях. При записи данных в прямом направлении на ленту записываются блоки с номерами от 1 до n, при записи в обратном направлении – блоки с номерами от n+4 до 2n. Этот способ увеличивает логическую длину ленты.

В обоих случаях на ленте существуют большие полосы между блоками, ориентированные перпендикулярно краю ленты. Большую плотность позволяет

Рис. 4.9. Барабан и лента при наклонно-строчном способе записи

получить наклонно-строчный метод записи (рис. 4.8,в). Тёмные полосы показывают блоки записи, светлые клетки являются межблочными промежутками. Запись и чтение осуществляются двумя головками, размещёнными на быстро вращающемся барабане (рис. 4.9). Наклонная запись обеспечивается смещением в противоположные стороны направляющих роликов вдоль оси барабана и их поворотом относительно его образующей.

Накопители на ленте могут быть выполнены в виде стриммера, автозагрузчика, стекера и ленточных библиотек. Стриммер – накопитель с одним лентопротяжным механизмом и одной кассетой или картриджем, которые сменяются вручную. Автозагрузчик и стекер являются накопителями с одним лентопротяжным механизмом, но оборудуются роботизированным механизмом подачи кассет. Автозагрузчик обеспечивает подачу кассет в произвольном, а стекер – в строго определённом порядке.

Ленточная библиотека – это накопитель, состоящий из нескольких автозагрузчиков или стекеров. Возможны два варианта подачи кассет: с привязкой и без привязки кассет к конкретным стриммерам.

4.4. Устройство и принцип работы накопителей
на оптических дисках.

Выше указывалось, что в основе накопителей на оптических дисках лежит нарушение отражающей поверхности диска вследствие её деформации или изменения её оптических свойств под действием луча лазера. Участки поверхности диска с изменёнными оптическими свойствами называются питами, а с исходными – лендами.

Дата добавления: 2015-04-25