ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.06.2021
Просмотров: 1842
Скачиваний: 5
26
Кэш
Кэш
— объем памяти с очень большой скоростью доступа, необходимый для ускорения обращения к
данным, постоянно находящимся в памяти с меньшей скоростью доступа (оперативной памяти). При
выборе процессора, помните, что увеличение размера кэш-памяти положительно влияет на
производительность большинства приложений. Кэш центрального процессора различается тремя
уровнями (
L1, L2 и L3
), располагаясь непосредственно на ядре процессора. В него попадают данные из
оперативной памяти для более высокой скорости обработки. Стоит также учесть, что для многоядерных
CPU указывается объем кэш-памяти первого уровня для одного ядра. Кэш второго уровня выполняет
аналогичные функции, отличаясь более низкой скоростью и большим объемом. Если вы предполагаете
использовать процессор для ресурсоемких задач, то модель с большим объемом кэша второго уровня
будет предпочтительнее, учитывая что для многоядерных процессоров указывается суммарный объем
кэша L2. Кэшем L3 комплектуются самые производительные процессоры, такие как AMD Phenom,
AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon. Кэш третьего уровня наименее
быстродействующий, но он может достигать 30 Мб.
27
Тема 3. Организация и структура памяти
Лекция 3
Цель: рассмотреть организацию , структуру и виды памяти.
План
1.Основная память. Состав, устройство и принцип действия основной памяти
2. ОЗУ. Основные характеристики.
3. ПЗУ
4 Кеш память
Основная литература
1.
Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А.. Вычислительные системы, сети и
телекоммуникации: Учебник. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Финансы и статистика, 2005.
2.
Симонович С.В. и др. Информатика: Базовый курс. СПб.: Питер, 2005.
3.
Под ред. Макаровой Н.В.. Информатика: Учебник. 3-е перераб. изд. М.: Финансы и
статистика, 2004.
4.
Куртер Дж., Маркви А. Microsoft Office 2000: учебный курс. СПб.: Питер, 2003.
5.
Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. СПб.:
Питер, 2008.
6.
Мелехин В.Ф. Вычислительные машины, системы и сети. Издательский центр
«Академия», 2006.
7.
Горнец Н.Н., Рощин А.Г., Соломенцев В.В. Организация ЭВМ и систем. М.: Издательский
центр «Академия», 2005.
Дополнительная литература
8.
Калабеков Б.А. / Цифровые устройства и микропроцессорные системы / М.: Радио и связь, 2003.
9.
К. Айден, О. Колесниченко, М. Крамер, Х. Фибельман, И. Шищигин / Аппаратные средства
РС / С-П.:BHV, 2004.
10.
Бройдо Д.С., Ильина О.В. / Архитектура вычислительных машин и систем.
11.
Корнеев В.В. / Современные микропроцессоры. Изд.2 / М.:Нолидж, 2000.
12.
Марк Минаси / Модернизация и обслуживание ПК / Киев «Век+», Москва «Энтроп», 2000.
В современных компьютерах память представляет собой сложную структуру, построенную по
иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов,
отличающиеся функциональным назначением, значениями основных характеристик и физическими
принципами работы.
Функционально она делится на две части:
внутреннюю (основную) и внешнюю
.
Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ), постоянную (ПЗУ) память и
быструю кэш-память
1.Основная память. Состав, устройство и принцип действия основной памяти
Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется
запоминающим
устройством
(ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают
центральному процессору доступ к программам и информации.
Внутренняя или основная память
– это запоминающие устройства, напрямую связанные с
процессором и предназначенные для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно
участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким
быстродействием, но она имеет ограниченный объём, определяемый системой адресации машины.
Основная память включает два типа устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или
RAM — Random Access Memory) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM — Read
Only-Memory).
28
ОЗУ предназначено для хранения переменной информации. Оно 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. Эта информация заносится
в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ. Основными операциями, которые может выполнять ПЗУ,
являются чтение и хранение.
Функциональные возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ, но ПЗУ сохраняет информацию при
отключении питания (т.е. является энергонезависимой памятью) и может иметь более высокое
быстродействие, так как ограниченность функциональных возможностей ПЗУ и его специализация на
чтении и хранении позволяют сократить время выполнения реализуемых им операций считывания.
В современных ЭВМ микросхемы памяти (ОП и СОЗУ) изготавливают из кремния по
полупроводниковой технологии с высокой степенью интеграции элементов на кристалле (микросхемы
памяти относятся к так называемым «регулярным» схемам, что позволяет сделать установку элементов
памяти в кристалле (чипе) настолько плотной, что размеры элементов памяти становятся
сопоставимыми с размерами отдельных атомов).
Основной составной частью микросхемы является массив элементов памяти (ЭП), объединенных
в матрицу накопителя.
Каждый элемент памяти может хранить 1 бит информации и имеет свой адрес. ЗУ, позволяющие
обращаться по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называются
запоминающими
устройствами с произвольным доступом.
2. ОЗУ. Основные характеристики.
Третий и основной уровень системной памяти ПК известен как главная память, память
произвольного доступа, или оперативная память (main memory, random access memory, RAM).
Основная память соединяется с процессором через адресную шину и шину данных. Каждая шина
состоит из множества электрических цепей или бит. Ширина (разрядность) адресной шины определяет,
сколько адресов может быть в ОЗУ (адресное пространство), а шины данных — сколько данных может
быть передано за 1 цикл. Каждая передача данных между процессором и памятью называется циклом
шины. Количество бит, которое процессор может передать за один цикл шины, влияет на
производительность компьютера и определяет, какой тип памяти требуется.
Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначено для
приема, хранения и выдачи информации и представляет собой самую быстродействующую
запоминающую систему компьютера. Оперативная память обозначается RAM (Random Access Memory
— память с произвольным доступом).
Основная задача RAM — предоставлять необходимую информацию в виде двоичных кодов по
запросам CPU, т. е. данные в любой момент должны быть доступны для обработки. Оперативная память
относится к категории динамической памяти: ее содержимое остается неизменным в течение короткого
промежутка времени, что требует периодического обновления памяти.
Конструктивно оперативная память выполняется в виде модулей микросхем, что позволяет
дополнять объем оперативной памяти, которая используется не только в ПК, но и в самых разных
периферийных устройствах — от видеокарт до лазерных принтеров. Микросхемы оперативной памяти в
этом случае могут принадлежать к разным модификациям, но все они относятся к типу динамической
оперативной памяти (DRAM).
Характеристики микросхем памяти
ОЗУ характеризуется параметрами:
объем (от 16 Мб до 2 Гб);
число микросхем;
паспортная частота (от 100 до 800 МГц);
время доступа к данным (6 или 7 нс);
число контактов (72, 168 или 184).
При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП, в связи с
чем адрес делится на две части (две координаты) — X и Y. На пересечении этих координат находится
элемент памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена.
29
ОЗУ связано с остальным микропроцессорным комплектом ЭВМ через системную магистраль
(рис. 3.1).
Рис. 5.1.
Структурная схема ОЗУ
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 (поскольку данные
передаются машинными словами, а один ЭП может воспринять только один бит информации, блок
элементов памяти состоит из
п
матриц ЭП, где
п —
количество разрядов в машинном слове).
Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной
магистрали (СМ): если количество линий обозначить через
т,
то емкость памяти (т.е. количество
элементов памяти, имеющих уникальные адреса) определяется как
2
т
.
Так, в IBM PC XT шина адреса
СМ содержит 20 линий. Поэтому максимальный объем ОП в этих машинах равен 2
20
= 1 Мбайт. В IBM
PC AT (с микропроцессором i80286) СМ содержит 24 линии, поэтому объем ОП может быть увеличен
до 16 Мбайт. Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный объем ОП
увеличился до 2
32
= 4 Гбайта.
Микросхемы памяти могут строиться на статических (SRAM) и динамических (DRAM) ЭП. В
качестве статического ЭП чаще всего выступает статический триггер. В качестве динамического ЭП мо-
жет использоваться электрический конденсатор, сформированный внутри кремниевого кристалла.
Статические ЭП способны сохранять свое состояние (0 или 1) неограниченно долго (при
включенном питании). Динамические 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. Однако из-за необходимости регенерации
информации динамические ОЗУ имеют более сложные схемы управления.
Основными характеристиками ОЗУ являются объем и быстродействие.
В современных ПЭВМ ОЗУ имеет модульную структуру. Сменные модули могут иметь
различное конструктивное исполнение (SIP, ZIP, SIMM, DIMM). Увеличение объема ОЗУ обычно
связано с установкой дополнительных модулей, которые выпускаются в 30-контактном (ЗО-pin) и 72-
контактном исполнениях на 1, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайта. Время доступа к модулям DRAM составляет 60
— 70 не.
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.
30
3. Постоянная память (ПЗУ)
Постоянная память (ПЗУ, англ.ROM, Read Only Memory - память только для чтения) -
энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют
изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении
для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.
Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого
процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, внешней памятью,
программы запуска и остановки компьютера, программы тестирования устройств.
Важнейшая микросхема ПЗУ - модуль BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода-
вывода) - совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после
включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.
Роль BIOS двоякая - с одной стороны - это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой
стороны - важный модуль любой операционной системы.
Итак, ПЗУ постоянно хранит информацию, которая записывается туда при изготовлении
компьютера.
Энергонезависимая память
.
При отключении питания содержимое ПЗУ не стирается.
В ПЗУ находятся:
1.
тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность
работы устройст;
2.
программы управления основными периферийными устройствами (дисководом,
монитором, клавиатурой);
3.
программа начальной загрузки, которая осуществляет поиск загрузчика операционной
системы на внешнем носителе. Современные BIOS позволяют загружать операционную систему не
только с магнитных и оптических дисков, но и с USB флэш-дисков.
Микросхемы ПЗУ также построены по принципу матричной структуры накопителя. Функции
элементов памяти в них выполняют перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или
транзисторов. В такой матрице наличие перемычки может означать «1», а ее отсутствие — «О».
Занесение информации в микросхему ПЗУ называется ее
программированием,
а устройство, с
помощью которого заносится информация, —
программатором.
Программирование ПЗУ заключается в устранении (прожигании) перемычек по тем адресам, где
должен храниться «О». Обычно схемы ПЗУ допускают только одно программирование, но специальные
микросхемы — репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) — допускают их многократное стирание и занесение
новой информации. Этот вид микросхем также относится к энергонезависимым, т.е. может длительное
время сохранять информацию при выключенном питании (стирание микросхемы происходит либо за
счет подачи специального стирающего напряжения, либо за счет воздействия на кристалл
ультрафиолетового излучения, для этого в корпусе микросхемы оставляется прозрачное окно).
4.Сверхоперативные ЗУ. Кеш память
Кэш-память (Cache memory) представляет собой буферное ЗУ, работающее со скоростью,
обеспечивающей функционирование без режимов ожидания.
Необходимость в создании кэш-памяти возникла потому, что появились процессоры,
работающие с очень большим быстродействием. Между тем для выполнения сложных прикладных
процессов нужна большая память. Использование же большой сверхскоростной памяти невыгодно.
Поэтому между ОЗУ и процессором стали устанавливать меньшую по размерам высокоскоростную
буферную память, или кэш-память. Более того, ее разделили на встроенную в процессор (оn-die) и
внешнюю (on-motherboard).
В кэш-память записывается часть команд и данных, содержащихся в оперативной памяти. При
этом нередко используются две кэш-памяти, одна из которых хранит команды, а другая — данные.
Методика выбора команд и данных, которые передаются из оперативной памяти в кэш-память,
определяет скорость обработки данных, ибо может оказаться, что в некоторые моменты времени в кэш-
памяти нет нужных команд или данных. В этих случаях процессор переходит в режим ожидания, а из
оперативной памяти в кэш-память передается необходимая информация.