Межсекторный интервал

Процессоры всегда работали быстрее, чем память. Так как процессоры и память совершенствуются параллельно, это несоответствие сохраняется. На практике та­кое несоответствие в скорости работы приводит к тому, что, когда процессор об­ращается к памяти, проходит несколькомашинных циклов, прежде чем он полу­чит запрошенное слово. Чем медленнее работает память, тем дольше процессору приходится ждать, тем больше циклов проходит.

В отличие от стираемогоПЗУ, которое стирается под воздействием ультрафиоле­товых лучей, и от электронно-перепрограммируемогоПЗУ, которое стирается по байтам, флэш-память стираетсяи записывается блоками.

3 Кэш -память

КЭШ-память - это буферная, не доступная для пользователя быстродейст­ вующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения опера­ций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих

устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организует­ся регистровая КЭШ-памятъ внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-памятъ на ячейках электронной памяти.

Принцип его действия основан на том, что простой (не работа) более быстро­го устройства сильно влияет на общую производительность (во-первых) и что скорее всего запрашиваются данные, сохраненные недавно (во-вторых). Поэтому между устройствами помещают буфер быстрой памяти (небольшой по сравнению со всеми хранимыми данными), что позволяет снизить потери быстрого устройст­ва, как на записи, так и на чтении.

Основная идея кэш-памяти проста: в ней находятся слова, которые чаще всего используются. Если процессору нужно какое-нибудь слово, сначала он обращает­ся к кэш-памяти. Только в том случае, если слова там нет, он обращается к основ­ной памяти. Если значительная часть слов находится в кэш-памяти, среднее время доступа значительно сокращается. Таким образом, успех или неудача зависит от того, какая часть слов находится в кэш-памяти. Давно известно, что программы не обращаются к памяти наугад. Если программе нужен доступ к адресу А, то скорее всего после этого ей понадобится доступ к адресу, расположенному поблизости от А. Практически все команды обычной программы (за исключением команд пере­хода и вызова процедур) вызываются из последовательных областей памяти. Кро­ме того, большую часть времени программа тратит на циклы, когда ограниченный набор команд выполняется снова и снова. Точно так же при манипулировании матрицами программа скорее всего будет обращаться много раз к одной и той же матрице, прежде чем перейдет к чему-либо другому.

Ситуация, когда при последовательных обращениях к памяти в течение неко­торого промежутка времени используется только небольшая ее область, называет­ся принципом локальности. Этот принцип составляет основу всех систем кэш­памяти. Идея состоит в том, что когда определенное слово вызывается из памяти, оно вместе с соседними словами переносится в кэш-память, что позволяет при очередном запросе быстро обращаться к следующим словам. Общее устройство процессора, кэш-памяти и основной памяти иллюстрирует рисунок 12.

Если слово считывается или записывается к раз, компьютеру требуется сде­лать 1 обращение к медленной основной памяти и к - / обращений к быстрой кэш­памяти. Чем больше к, тем выше общая производительность.

Мы можем сделать и более строгие вычисления. Пусть с — время доступа к кэш-памяти, т — время доступа к основной памяти и Л — коэффициент кэш-попаданий, который показывает соотношение числа обращений к кэш-памяти и общего числа всех обращений к памяти. В нашем примере h = (к - 1)/к.

Некоторые авторы выделяют коэффициент кэш-промахов, равный /-/?. Та­ким образом, мы можем вычислить среднее время доступа:

tdocm = с + (1 - h)m

Если h —► 7, то есть все обращения делаются только к кэш-памяти, то время доступа стремится к с. С другой стороны, если h — > 0, то есть каждый раз нужно обращаться к основной памяти, то время доступа стремится к с + т: сначала тре­буется время с для проверки кэш-памяти (в данном случае безуспешной), а затем — время т для обращения к основной памяти. В некоторых системах обращение к основной памяти может начинаться параллельно с использованием кэш-памяти, чтобы в случае кэш-промаха цикл обращения к основной памяти уже начался. Од­нако эта стратегия требует способности останавливать процесс обращения к ос­новной памяти в случае кэш-попадания, что усложняет разработку подобного компьютера.

Основная память и кэш-память делятся на блоки фиксированного размера с учетом принципа локальности. Блоки внутри кэш-памяти обычно называют стро­ками кэша (cache lines). При кэш-промахе из основной памяти в кэш-память за­гружается вся строка, а не только необходимое слово. Например, если строка со­стоит из 64 байт, обращение к адресу 260 влечет за собой загрузку в кэш-память всей строки (байты с 256 по 319) на случай, если через некоторое время понадо­бятся другие слова из этой строки. Такой путь обращения к памяти более эффек­тивен, чем вызов каждого слова по отдельности, потому что однократный вызов к слов происходит гораздо быстрее, чем вызов одного слова к раз.

Кэш-память очень важна для высокопроизводительных процессоров. Однако здесь возникает ряд вопросов. Первый вопрос — объем кэш-памяти. Чем больше объем, тем лучше работает память, но тем дороже она стоит. Второй вопрос — размер строки кэша. Кэш-память объемом 16 Кбайт можно разделить на 1024 строки по 16 байт, 2048 строк по 8 байт и т. д. Третий вопрос — механизм орга­низации кэш-памяти, то есть то, как она определяет, какие именно слова нахо­дятся в ней в данный момент. Четвертый вопрос — должны ли команды и дан­ные находиться вместе в общей кэш-памяти. Проще всего разработать объеди­ненную кэш-память (unified cache), в которой будут храниться и данные и коман­ды. В этом случае вызов команд и данных автоматически уравновешивается.

4 Внешняя память

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потре­боваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все про­граммное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные ви­ды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД).

Магнитные диски.

Магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых поверхностей, в настоящее время компания IBM делает их из стекла, покрытых магнитным слоем. Изначально их диаметр составлял 50 см, сейчас — от 3 до 12 см, у портативных компьютеров — меньше 3 см, причем это значение продолжает уменьшаться. Го­ловка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Когда головка проходит над намагни­ченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Поскольку диск вращается под головкой, поток битов может записываться, а потом считываться. Конфигурация дорожки диска показана на рисунке 13.

Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. Перед данными располагается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться перед чте­нием или записью. После данных идет код исправления ошибок (Error-Correcting Code, ЕСС), позволяющий исправлять множественные ошибки. Между соседними

секторами находится межсекторный интервал. Емкость форматированного диска обычно на 15 % меньше емкости неформатированного, на нем учитываются пре­амбулы, ЕСС-коды и межсекторные интервалы. У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск. На разных расстояниях от оси запи­сываются разные дорожки. Таким образом, дорожки представляют собой ряд кон­центрических кругов, расположенных вокруг шпинделя. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемещения. На сегодняшний момент дис­ки имеют от 5000 до 10 ООО дорожек на см, то есть ширина каждой дорожки со­ставляет от 1 до 2 микрон.

Следует отметить, что дорожка — это не углубление на поверхности диска, а про­сто кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек не­большими пограничными областями. Плотность записи битов на концентрических дорожках различается в зависимости от расстояния от центра диска и зависит главным образом от качества поверхности диска и чистоты воздуха.

Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воздуха, диски герметично закрываются. Такие диски называются винчестерами.

Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположенных друг под другом, как показано на рисунке 14.

Каждая поверхность снабжена кронштейном и головкой. Кронштейны скреплены таким образом, что одновременно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, на­зывается цилиндром.

Диски CD-ROM.

Компакт-диск изготавливается с использованием очень мощного инфракрасного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0,8 микрон в специальном стек­лянном мастер-диске. По этому мастер-диску делается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола ((поликар­бонат), и, таким образом, получается компакт-диск с тем же набором отверстий, что и в стеклянном диске. На смолу наносится очень тонкий слой алюминия, ко­торый, в свою очередь, покрывается защитным лаком. После этого наклеивается этикетка. Углубления в нижнем слое смолы называются лунками (pits), а ровные пространства между лунками — площадками (lands).

Лунки и площадки записываются по спирали. Запись начинается на некотором расстоянии от отверстия в центре диска и продвигается к краю, занимая 32 мм диска. Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска (примерно 600 на 1 мм).

Если спираль распрямить, ее длина составит 5,6 км. Спираль изображена на ри­сунке 15.

Рисунок 15 - Схема записи компакт-диска

DVD диски.

Изначально аббревиатура DVD расшифровывалась как Digital Video Disk (цифро­вой видеодиск), сейчас она официально превратилась в Digital Versatile Disk (циф­ровой многоцелевой диск). DVD-диски в целом похожи на компакт-диски. Как и обычные компакт-диски, они имеют 120 мм в диаметре, создаются на основе по­ликарбоната и содержат лунки и площадки, которые освещаются лазерным дио­дом и считываются фотодетектором. Однако существует несколько различий:

♦ меньший размер лунок (0,4 микрона вместо 0,8 микрона, как у обычного ком­пакт-диска);

♦ более плотная спираль (0,74 микрона между дорожками вместо 1,6 микрона);

♦ красный лазер (с длиной волны 0,65 микрона вместо 0,78 микрона). Диски Blu-Ray.

Преемником DVD можно считать технологию Blu-Ray, предусматривающую при­менение синего лазера вместо красного. Синий лазер отличается более короткой длиной волны, а значит, повышенной точностью; за счет этого обстоятельства он позволяет уменьшать размеры лунок и площадок. На односторонних дисках Blu-Ray умещается около 25 Гбайт данных; на двухсторонних — 50 Гбайт. Скорость передачи данных составляет 4,5 Мбит/с.

«Флэшки».

У классической flash карты (как usb flash, так и карты памяти Compact Flash, SD, ММС и т.п.) нет механических частей, она не нуждается ни в батарейках, ни в ак­кумуляторах, флешка это набор микросхем, в чипах которых способна хранится цифровая информация. Это устройство компактное, быстрое, дешёвое и не самое надёжное.

Каждая из микросхем флешки состоит из своего рода гнёзд (NAND Flash). При перезаписи информация записывается в одно и то же гнездо, и через некоторое время сектор может начать сбоить, что зачастую и приводит к потере данных — это самая большая проблема флешек, обратная сторона удобства и дешевизны.

Чем больше объем flash памяти, тем больше внутри микросхем. Все вместе они выстроены в рейд-массив, но алгоритм их сборки и взаимодействия значительно сложней, чем классический рейд-массив из жестких дисков в компьютере. Более того, на каждой из микросхем для ускорения работы и повышения надёжности применяются алгоритмы схожие с принципами действия рейд-массивов. Вдобавок к этим сложностям во флешке существует самая главная микросхема — контро­лер, управляющий всеми данными на flash, запоминающий какие секторы флешки уже начали сбоить, считающий контрольные суммы. При загрузке обычной фото­графии на flash информация не выкладывается единым куском, а распространяется по многим «хранилищам» довольно причудливым образом. Контролер «знает» о том, куда и какие части файла были положены.

5 Основные компоненты памяти

Значки, которые используются для изображения трех основных типов венти­лей, показаны на рисунке 16 а-в. Там же показаны режимы работы функции для каждой схемы.

А	X

А	в	X
	1 б

А	в	X
	1 0

А	в	X		А	в	X
	г			д

Рисунок 16 - Значки для изображения пяти основных вентилей. Режимы работы функции для каждого вентиля

Здесь А и В — входные сигналы, X — выходной сигнал. Каждая строка таб­лицы определяет выходной сигнал для различных комбинаций входных сигналов.

Защелки. Чтобы создать один бит памяти, нужна схема, которая каким-то об­разом «запоминает» предыдущие входные значения. Такую схему можно сконст­руировать из двух вентилей НЕ-ИЛИ, как показано на рисунке 17 (а).

А	в	НЕ-
	ИЛИ
	щ
	в

Аналогичные схемы можно построить из вентилей НЕ-И, которые, по суще­ству, идентичны схемам с вентилями НЕ-ИЛИ.

Схема, изображенная на рисунке, называется SR-защелкой. У нее есть два входа: S (Setting — установка) и R (Resetting — сброс). У нее также есть два ком­плиментарных выхода: Q и Q.

Часто удобно, чтобы защелка меняла состояние только в определенные мо­менты. Чтобы достичь этой цели, немного изменим основную схему и получим синхронную SR-защелку (рисунок 18).

Рисунок IS - Синхронная SR-защелка

Эта схема имеет дополнительный синхронизирующий вход, который по большей части равен 0. Если этот вход равен 0, то оба выхода вентилей И равны 0, и неза­висимо от значений S и R защелка не меняет свое состояние. Когда значение син­хронизирующего входа равно 1, действие вентилей if прекращается, и состояние защелки становится зависимым от S и R. Для обозначения факта появления еди­ницы на синхронизирующем входе часто используются термины включение и стробнрованне.

В случае, если S — R= 7 возникает неопределенность защёлки. Чтобы не дать ей возникнуть организуется схема только с одним входом. Такая схема (рисунок 19), которая называется синхронной D -защелкой, представляет собой память объе­мом 1 бит.

Рисунок 19 - Синхронная D- за щелка

Триггеры. Многие схемы при необходимости выбирают значение на опреде­ленной линии в заданный момент времени и запоминают его. В такой схеме, кото­рая называется триггерам (flip-flop), смена состояния происходит не тогда, когда синхронизирующий сигнал равен 1, а при переходе синхронизирующего сигнала с 0 на 1 (фронт) или с 1 на 0 (спад). Следовательно, длина синхронизирующего им­пульса не имеет значения, поскольку переходы происходят быстро.

Различие между триггером и защелкой определяется тем, что триггер запус­кается перепадом сигнала, а защелка запускается уровнем сигнала.

Регистры. Регистр представляет собой цифровую электронную схему (функ­циональный узел), служащую для временного хранения двоичных чисел, состоя­щую из триггеров и защёлок.

По существу, это наборы триггеров с независимыми информационными вхо­дами и (обычно) общим тактовым входом. В качестве регистров подобного рода могут быть использованы без дополнительных элементов многие типы синхрон­ных триггеров.

Дата добавления: 2014-01-06