ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.01.2021
Просмотров: 138
Скачиваний: 1
Лекция 4
2.4. Основная память компьютера
Память - это составная часть аппаратуры компьютера, предназначенная для хранения программ и данных. Для памяти еще используется термин “запоминающее устройство”. Основная память - это самое быстрое запоминающее устройство, в котором программы и данные хранятся временно, в период выполнения программ.
Минимальной единицей памяти является бит - двоичный разряд, способный содержать одну двоичную цифру - 0 или 1. В компьютерах применяется двоичная арифметика. Это вызвано в основном требованием надежности, т.к. хранение цифровых данных с помощью аналоговых технологий предполагает возможность различать данные. Чем больше величин, которые нужно различать, тем меньше различий между смежными величинами и тем менее надежна память. Двоичная система требует различения всего двух величин.
Некоторые компьютеры наряду с двоичной арифметикой используют также и десятичную (например, большие IBM). Для этого применяется так называемый двоично-десятичный код. В этом случае для хранения одного десятичного разряда используются 4 бита. Это дает 16 комбинаций, что вполне достаточно для хранения цифр от 0 до 9. Поскольку 6 комбинаций при этом не используются, то двоичная арифметика является более компактной.
Смежные двоичные разряды памяти группируются в ячейки. Ячейки последовательно нумеруются с нуля и номер ячейки называется ее адресом. В последние годы подавляющее число производителей выпускает компьютеры с ячейками по 8 разрядов - байтами. Подряд расположенные байты объединяются в слова (обычно - по 2, 4 или 8 байтов). Адресом слова считается адрес его начального байта, который обычно должен быть кратен размеру слова. Слова считаются стандартными единицами памяти данного компьютера, и с ними производится большинство операций. Размер регистров процессора обычно соответствует размеру слова. Однако, некоторые серии процессоров (в том числе Intel), в целях совместимости версий имеют небольшой размер слова и регистры, способные хранить от одного до нескольких слов.
Порядок байтов в слове может быть прямым (соответствует общему порядку байтов, например, SPARC или большие IBM) или обратным (PDP 11, Intel). Например, для 32-разрядных слов возможны следующие варианты:
|
Адрес слова |
Прямой порядок байтов |
|
Обратный порядок байтов |
Адрес слова |
||||||
|
0 |
0 |
1 |
2 |
3 |
|
3 |
2 |
1 |
0 |
0 |
|
4 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
7 |
6 |
5 |
4 |
4 |
|
8 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
11 |
10 |
9 |
8 |
8 |
|
12 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|
15 |
14 |
13 |
12 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Байт |
|
|
|
|
Байт |
|
|
|
32-битное слово а |
|
32-битное слово б |
|
||||||
Оба варианта имеют достоинства и недостатки. Возможны проблемы при пересылке данных с компьютера одной архитектуры на другую. Обычно они решаются соответствующим программным обеспечением.
Большие объемы памяти компьютера исчисляются следующими единицами:
1 Кб (килобайт) = 1024 байта, 1 Мб (мегабайт) = 1024 Кб, 1 Гб (гигабайт) = 1024 Мб, 1 Тб (терабайт) = 1024 Гб.
Физически современная основная память компьютера обычно имеет модульную структуру. Группа микросхем (8, 16, …штук) монтируется на одну печатную плату. Ранее такой блок изготавливался в виде SIMM (Single Inline Memory Module - модуль памяти с односторонним расположением выводов - контактов). Он содержал обычно 8 микросхем по 4 Мб каждая. На один компьютер устанавливалось до 4-х модулей. Затем появились DIMM (Dual Inline Memory Module - модуль памяти с двусторонним расположением выводом). Объем одного DIMM - 64 Mb и выше. В мобильных устройствах используется модуль DIMM меньшего размера, который называется SO-DIMM (Small OutLine DIMM).
Объем единовременно передаваемых данных зависит от количества контактов модуля памяти. Первые модули SIMM имели 30 контактов и могли за один раз передавать 8 битов информации. Остальные контакты использовались для адресации и контроля. Более поздние SIMM содержали 72 контакта и передавали за один раз 32 бита. DIMM имеет по 84 позолоченных контакта с каждой стороны и способен передавать 64 бита данных за одно обращение.
2.5. Кэш-память
Между процессором и основной памятью имеется существенное различие в быстродействии. Если процессоры постоянно развиваются в направлении его повышения, то разработчики памяти в силу экономически обусловленных причин занимаются в основном увеличением ее емкости. Относительно медленным является процесс передачи данных по шине, поэтому память может работать со скоростью процессора лишь находясь с ним на одной микросхеме. На практике такое несоответствие приводит к тому, что процессор простаивает, ожидая получения информации из памяти.
Эта проблема лишь частично решается применением конвейеров. Еще один способ повысить быстродействие - использование кэш-памяти. Это небольшого объема быстрая память на микросхеме процессора. Основная идея ее применения состоит в том, что в ней хранятся наиболее часто используемые процессором слова информации. Если процессору требуется некоторое слово, он вначале обращается к кэш-памяти и только в случае неудачи запрашивает его из основной памяти. Было замечено, что во время выполнения программ периодически в течение некоторого промежутка времени используется лишь небольшой участок памяти, т.е. имеет место принцип локальности. Поэтому, когда определенное слово считывается для процессора из основной памяти, вместе с этим словом переносятся в кэш и соседние слова, которые могут использоваться при последующих запросах.
Для обеспечения такого обмена кэш-память с учетом принципа локальности делится на блоки фиксированного размера, которые называются строками кэш-памяти. Если обращение процессора к кэш-памяти оказывается безрезультатным, из основной памяти в кэш загружается целая строка с необходимым словом. При разработке кэш-памяти оказывается важным не только ее общий размер, но и длина строк.
Проще всего разработать смежную кэш-память, в которой наряду с командами хранятся и данные. Однако в настоящее время имеется тенденция к использованию разделенной кэш-памяти. В этом случае команды и данные хранятся в отдельной кэш-памяти. Разделенная память позволяет осуществлять параллельный доступ к командам и данным, что широко используется конвейерами. Разделенная память учитывает также тот факт, что команды программы обычно не меняются, и соответственно содержимое командной кэш-памяти не записывается обратно в основную память.
Действует еще одна тенденция конструирования кэш-памяти - разделение ее на уровни. Кэш-память первого уровня располагается на микросхеме процессора, второго - вне микросхемы, но внутри его корпуса, третьего - еще дальше и т. д.
2.6. Внешняя память компьютера
Внешняя память (или вспомогательная память) предназначена для постоянного хранения информации, которая может быть использована процессором лишь после загрузки в основную память. Она относительно недорога, имеет большие объемы, работает медленнее основной памяти и ее носители часто бывают съемными.
2.6.1. Магнитные диски
Магнитный диск состоит из одного или нескольких алюминиевых или стеклянных дисков с магнитным слоем. Диаметр диска обычно составляет от 3 до 12 см, у портативных компьютеров - менее 3 см. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над его поверхностью на воздушной подушке. Диск вращается под головкой с высокой скоростью. Когда через головку проходит положительный или отрицательный ток, он намагничивает поверхность под головкой (направление намагничивания зависит от полярности). Когда же головка проходит над намагниченной областью, в головке возникает положительный или отрицательный ток, что позволяет считывать записанные ранее биты.
Дорожкой диска называется круговая последовательность битов, записанных на диск за полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины (обычно 512 байтов). Между соседними секторами находится межсекторный интервал. Плотность записи битов на концентрических дорожках различна в зависимости от ее радиуса. Плотность записи современных дисков находится в пределах от 50000 до 100000 бит/см. Чтобы сохранить высокое качество поверхности и чистоту окружающей среды, диски герметично запечатываются. Такие диски называются винчестерами. Большинство магнитных дисков состоит из нескольких расположенных друг под другом пластин, каждая из которых снабжена своей головкой. Совокупность дорожек одного радиуса называется цилиндром.
С диском в компьютере связан контроллер - микросхема, которая им управляет. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. Контроллер может производить буферизацию совокупности секторов и их кэширование для возможного дальнейшего использования.
Упрощенной разновидностью магнитного диска является дискета - одинарный гибкий диск. У дискет головка чтения-записи непосредственно касается поверхности.
До настоящего времени было разработано несколько видов магнитных дисков, аппаратные интерфейсы которых относятся к различным технологиям.
IDE (Integrated Drive Electronics) - устройство со встроенным контроллером. Его контроллер встроен в материнскую плату компьютера и способен обслуживать 2 диска. Способ адресации такого диска (4 бита для номера головки, 6 битов для сектора и нумерация секторов с 1, 10 битов для цилиндра) с использованием BIOS (базовая система ввода/вывода, расположенная в ПЗУ) не позволяли программам обращаться к более чем 528 Мб дисковой памяти.
На смену этим дискам пришли EIDE
(Extended IDE)
- диски с поддержкой дополнительной
схемы адресации - LBA
(Logical Block
Addressing), в которой секторы
имеют сквозную нумерацию от 0 до
.
При этом контроллер должен преобразовывать
адреса LBA в номера головки,
сектора и цилиндра, но объем диска может
превышать указанное ограничение.
Контроллер EIDE может
обслуживать 4 диска, имеет более высокую
скорость передачи данных и может
управлять приводом CD-ROM.
Следующим шагом явились диски с интерфейсом SCSI (Small Computer System Interface) - интерфейс малых вычислительных систем. Они не отличаются геометрией (цилиндры, дорожки, сектора), но имеют более высокую скорость передачи данных. В связи с этим они используются в рабочих станциях UNIX, компьютерах Macintosh и сетевых серверах Intel.
SCSI - это не только интерфейс, но и шина для подключения контроллера и семи дополнительных устройств. Ими могут быть жесткие диски SCSI, приводы компакт-дисков, сканеры и другие внешние устройства. Каждому устройству присваивается свой идентификатор (0-7 или 0-15 для 16-битной версии).
Существуют и другие технологии, направленные на увеличение скорости обмена данными с магнитными дисками. К ним относится RAID (Redundunt Array of Independent Disks) - избыточный массив независимых дисков. Основной идеей здесь является наличие возле компьютера нескольких (до 7) внешних SCSI-дисков, которые благодаря подключенному RAID-контроллеру рассматриваются программным обеспечением как один большой диск с несколькими головками. В результате осуществляется быстрый параллельный обмен с массивом дисков.
2.6.2. Компакт-диски (CD)
Это диски с оптическим способом чтения и записи. Поначалу они применялись лишь для реализации цифровых музыкальных записей (начало 80-х годов). Далее (с 1984 г.) началось использование CD для хранения произвольной компьютерной информации. Существуют стандарты их изготовления, включая строгое ограничение размеров (диаметр - 120 мм, толщина - 1,2 мм, диаметр отверстия - 15 мм).
Поверхность компакт-диска состоит из расположенных по окружностям впадин (диаметром 0,8 микрон) и площадок (или их оптических имитаций), что и обеспечивает хранение нулей и единиц. Каждый байт кодируется 16 битами. Дополнительные 8 битов используются для контроля ошибок. Перевод в 8-битную систему при считывании осуществляется аппаратным обеспечением. Несколько последовательных байтов (42) образуют фрейм. Соседние по диаметру фреймы отстоят друг от друга на 1,6 микрон. Некоторая дополнительная часть фрейма также используется для контроля и исправления ошибок. Для аудио- и компьютерных CD эта система одинакова. У компьютерных компакт-дисков каждые 98 фреймов объединяются в сектор.
Во время чтения диск вращается. При этом лазерный диод небольшой мощности светит инфракрасным цветом с длиной волны 0,78 микрон на сменяющиеся впадины и площадки. Переход впадина/площадка и обратный интерпретируются как 1, отсутствие перехода - как 0.
Устройства чтения CD по быстродействию существенно отстают от винчестеров. Однако, в связи с большой вместимостью (600-700 Мб) и низкой ценой компакт-дисков, на них в настоящее время выпускается большая часть коммерческого программного обеспечения.
Различают несколько видов компьютерных компакт-дисков и соответствующих им устройств чтения/записи.
CD-ROM (Compact Disc - Read Only) - запись на нем создается один раз на отдельном оборудовании в виде физических углублений и в дальнейшем может использоваться на компьютере лишь для чтения.
CD-R (CD-Recordable) - углубления на таком диске моделируются заранее нанесенным специальным красителем, который нагревается лазером и меняет отражательные свойства поверхности. Такой диск легко может быть записан на обычном компьютере, но лишь один раз. Группа последовательных секторов, записываемых за 1 раз, называется дорожкой компакт-диска. Дорожки могут группироваться в сессии. Такие диски называются многосессионными. Они не читаются обычными аудио-проигрывателями.
CD-RW (CD-Rewritable) - перезаписываемый компакт-диск. Вместо красителя при производстве таких дисков используется специальный сплав, который может иметь два состояния - кристаллическое и аморфное. Эти состояния обладают разной отражательной способностью. Устройство для записи CD имеет лазер с тремя степенями мощности. При самой высокой мощности лазер расплавляет покрытие, переводя его из кристаллического состояния с высокой отражательной способностью в аморфное состояние с низкой отражательной способностью - получается впадина. При средней мощности покрытие расплавляется и возвращается в естественное кристаллическое состояние, при этом впадина превращается в площадку. При низкой мощности лазер лишь определяет состояние материала - происходит считывание информации.
DVD (Digital Versatile Disk) - цифровой универсальный диск, который первоначально использовался лишь для записи видео. Этот диск внешне не отличается от обычного CD, однако имеет следующие важные отличия: