ЭВМ и периферийные устройства. Память вычислительных машин. (Лекция 4)

1. эвм и периферийные устройства

ЭВМ И ПЕРИФЕРИЙНЫЕ
УСТРОЙСТВА
Лекция 4
Память вычислительных
машин
Тогузов С.А.
Чебоксары 2019

2. Характеристики систем памяти

• место расположения;
• емкость;
• единицу пересылки;
• метод доступа;
• быстродействие;
• физический тип;
• физические особенности;
• стоимость.

3. Иерархия запоминающих устройств

4. Самый быстрый, но и минимальный по емкости тип памяти – это внутренние регистры ЦП, которые иногда объединяют понятием

сверхоперативное запоминающее устройство –
СОЗУ. Как правило, количество регистров невелико, хотя в
архитектурах с сокращенным набором команд их число может
доходить до нескольких сотен. Основная память (ОП),
значительно большей емкости, располагается несколькими
уровнями ниже. Между регистрами ЦП и основной памятью
часто размещают кэш-память, которая по емкости ощутимо
проигрывает ОП, но существенно превосходит последнюю по
быстродействию, уступая в то же время СОЗУ. В большинстве
современных ВМ имеется несколько уровней кэш-памяти,
которые обозначают буквой L и номером уровня кэш-памяти. В
последних разработках все чаще появляется также третий
уровень кэш-памяти (L3), причем разработчики ВМ говорят о
целесообразности введения и четвертого уровня – L4.

5.

Каждый последующий уровень кэш-памяти имеет
большую емкость, но одновременно и меньшее
быстродействие по сравнению с предыдущим. Как бы
то ни было, по «скорости» любой уровень кэш-памяти
превосходит основную память. Все виды внутренней
памяти реализуются на основе полупроводниковых
технологий и в основном, являются энергозависимыми.

6. Основная память (ОП) представляет собой единственный вид памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно (исключение

Основная память
Основная память (ОП) представляет собой единственный вид
памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно
(исключение составляют лишь регистры центрального
процессора). Информация, хранящаяся на внешних ЗУ,
становится доступной процессору только после того, как будет
переписана в основную память.
.
Основная память может включать в себя два типа устройств:
оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и
постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

7.

Увеличение разрядности памяти
Структура основной памяти на основе блочной схемы

8.

Блочная память с чередованием адресов по циклической схеме

9.

Блочно-циклическая схема расслоения памяти

10.

Структура микросхемы памяти

11. Возможности «ускорения» ядра микросхемы ЗУ весьма ограничены и связаны в основном с миниатюризацией запоминающих элементов.

Наибольшие успехи достигнуты в
интерфейсной части ИМС, касаются они, главным образом,
операции чтения, то есть способов доставки содержимого
ячейки на шину данных. Наибольшее распространение
получили следующие шесть фундаментальных подходов:
• последовательный;
• конвейерный;
• регистровый;
• страничный;
• пакетный;
• удвоенной скорости.

12. При использовании последовательного режима (Flow through Mode) адрес и управляющие сигналы подаются на микросхему до

поступления
синхроимпульса.
Конвейерный режим (pipelined mode) – это такой метод
доступа к данным, при котором можно продолжать операцию
чтения по предыдущему адресу в процессе запроса по
следующему.
.
Регистровый режим (Register to Latch) используется
относительно редко и отличается наличием регистра на
выходе микросхемы.
.
В основе идеи страничного режима лежит тот факт, что при
доступе к ячейкам со смежными адресами (согласно
принципу локальности такая ситуация наиболее вероятна),
причем к таким, где все ЗЭ расположены в одной строке
матрицы, доступ ко второй и последующим ячейкам можно
производить существенно быстрее.

13. Режим быстрого страничного доступа (FPM – Fast Page Mode) представляет собой модификацию стандартного страничного режима.

Основное отличие заключается в
способе занесения новой информации в регистр адреса
столбца.
.
Пакетный режим (Burst Mode) – режим, при котором на
запрос по конкретному адресу память возвращает пакет
данных, хранящихся не только по этому адресу, но и по
нескольким последующим адресам.
.
Важным этапом в дальнейшем развитии технологии
микросхем памяти стал режим DDR (Double Data Rate) –
удвоенная скорость передачи данных. Сущность метода
заключается в передаче данных по обоим фронтам импульса
синхронизации, то есть дважды за период. Каким образом,
пропускная способность увеличивается в те же два раза.

14. Энергозависимые ОЗУ можно подразделить на две основные подгруппы: динамическую память (DRAM – Dynamic Random Access Memory) и

статическую память
(SRAM – Static Random Access Memory).
.
В статических ОЗУ запоминающий элемент может хранить
записанную информацию неограниченно долго (при наличии
питающего
напряжения).
Запоминающий
элемент
динамического ОЗУ способен хранить информацию только в
течение достаточно короткого промежутка времени, после
которого информацию нужно восстанавливать заново, иначе
она будет потеряна. Динамические ЗУ, как и статические,
энергозависимы.

15.

Запоминающий элемент статического ОЗУ
Запоминающий элемент динамического ОЗУ

16. Виды статических ОЗУ

17. Классификация динамических ОЗУ: а – микросхемы для основной памяти; б – микросхемы для видеоадаптеров

18. Постоянные запоминающие устройства . Слово «постоянные» в названии этого вида запоминающих устройств относится к их свойству

хранить информацию при
отсутствии питающего напряжения. Микросхемы ПЗУ также
построены по принципу матричной структуры накопителя, где в
узлах расположены перемычки в виде проводников,
полупроводниковых диодов или транзисторов, одним концом
подключенные к адресной линии, а другим - к разрядной линии
считывания. В такой матрице наличие перемычки может означать
1, а ее отсутствие – 0. В некоторых типах ПЗУ элемент,
расположенный на перемычке, исполняет роль конденсатора.
Тогда заряженное состояние
конденсатора означает 1, а
разряженное – 0. Современные ПЗУ реализуются в виде
полупроводниковых микросхем, которые по возможностям и
способу программирования разделяют на:
• программируемые при изготовлении;
• однократно программируемые после изготовления;
• многократно программируемые.

19.

Флэш-память
Относительно новый вид полупроводниковой памяти - это
флэш-память (название flash можно перевести как «вспышка
молнии», что подчеркивает относительно высокую скорость
перепрограммирования).
Впервые
анонсированная
в
середине 80-х годов, флэш-память во многом похожа на
EEPROM, но использует особую технологию построения
запоминающих элементов.
Аналогично
EEPROM,
во
флэш-памяти
стирание
информации производится электрическими сигналами, но не
побайтово, а по блокам или полностью. Здесь следует
отметить, что существуют микросхемы флэш-памяти с
разбивкой на очень мелкие блоки (страницы) и
автоматическим постраничным стиранием, что сближает их
по возможностям с EEPROM. Как и в случае с EEPROM,
микросхемы флэш-памяти выпускаются в вариантах с
последовательным и параллельным доступом.

20. В ряде практических задач более выгодным оказывается использование специализированных архитектур ОЗУ, где стандартные функции

Специальные типы оперативной памяти
В ряде практических задач более выгодным оказывается
использование специализированных архитектур ОЗУ, где
стандартные функции (запись, хранение, считывание)
сочетаются с некоторыми дополнительными возможностями
или учитывают особенности применения памяти. Такие виды
ОЗУ называют специализированными и к ним причисляют:
• память для видеоадаптеров;
• память с множественным доступом (многопортовые
ОЗУ);
• память типа очереди (ОЗУ типа FIFO).
Два последних типа относятся к статическим ОЗУ.

21. Запоминающие элементы статического ОЗУ: а – однопортового; б – двухпортового

22. Стековая память

Организация стековой памяти: а – логика работы;
б – аппаратно-программный стек

23. Для большинства типичных применений ВМ характерна ситуация, когда размещение всей программы в ОП невозможно из-за ее большого

Понятие виртуальной памяти
Для большинства типичных применений ВМ характерна
ситуация, когда размещение всей программы в ОП
невозможно из-за ее большого размера. В этом, однако, и нет
принципиальной необходимости, поскольку в каждый момент
времени
«внимание»
машины
концентрируется
на
определенных сравнительно небольших участках программы.
Таким образом, в ОП достаточно хранить только
используемые в данный период части программ, а остальные
части могут располагаться на внешних ЗУ (ВЗУ). Сложность
подобного подхода в том, что процессы обращения к ОП и ВЗУ
существенно различаются, и это усложняет задачу
программиста.

24. Внешняя память Важным звеном в иерархии запоминающих устройств является внешняя, или вто­ричная память, реализуемая на базе

Выходом из такой ситуации было появление в 1959 году
идеи виртуализации памяти, под которой понимается
метод автоматического управления иерархической
памятью, при котором программисту кажется, что он
имеет дело с единой памятью большой емкости и
высокого быстродействия. Эту память называют
виртуальной (кажущейся) памятью. По своей сути
виртуализация памяти представляет собой способ
аппаратной и программной реализации концепции
иерархической памяти.
Внешняя память
Важным звеном в иерархии запоминающих устройств
является внешняя, или вторичная память, реализуемая на
базе различных ЗУ. Наиболее распространенные виды таких
ЗУ – это магнитные и оптические диски и магнитоленточные
устройства.

25.

Порядок размещения информации на магнитном диске

26. Характеристики дисковых систем

Движение головок
Число пластин
Фиксированные Подвижные
Однодисковые Многодисковые
Сменяемость дисков
Механизм головки
Несъемные диски Съемные диски
Контактный
С фиксированным зазором
С аэродинамическим зазором
Использование поверхностей
Односторонние Двухсторонние

27. Повышение производительности дисковой подсистемы в RAID достигается с помощью приема, называемого расслоением или расщеплением

Повышение производительности дисковой подсистемы
Повышение производительности дисковой подсистемы в RAID
достигается с помощью приема, называемого расслоением или
расщеплением (striping). В его основе лежит разбиение данных
и дискового пространства на сегменты, так называемые полосы
(strip – узкая полоса). Полосы распределяются по различным
дискам массива, в соответствии с определенной системой. Это
позволяет производить параллельное считывание или запись
сразу нескольких полос, если они расположены на разных
дисках. В идеальном случае производительность дисковой
подсистемы может быть увеличена в число раз, равное
количеству дисков в массиве. Размер (ширина) полосы
выбирается исходя из особенностей каждого уровня RAID и
может быть равен биту, байту, размеру физического сектора МД
(обычно 512 байт) или размеру дорожки.

28. В 1983 году была представлена первая цифровая аудиосистема на базе компакт-дисков (CD – compact disk). Компакт-диск – это

Оптическая память
В 1983 году была представлена первая цифровая
аудиосистема на базе компакт-дисков (CD – compact disk).
Компакт-диск – это односторонний диск, способный хранить
более чем 60-минутную аудиоинформацию. Громадный
коммерческий успех CD способствовал развитию технологии
дешевых оптических запоминающих устройств для ВМ. За
последующие годы были созданы различные системы памяти
на оптических дисках, три из которых в прогрессирующей
степени приживаются в вычислительных машинах: CD-ROM,
WARM и стираемые оптические диски.