Центральные устройства ЭВМ Вычислительные системы, сети и телекоммуникации запоминающим устройством (ЗУ). Комплекс технических средств, реализующих функцию. - презентация

1 Центральные устройства ЭВМ Вычислительные системы, сети и телекоммуникации запоминающим устройством (ЗУ). 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. Классификация запоминающих устройств: –основная (оперативная) память, –сверхоперативная память (СОЗУ), –внешние запоминающие устройства.

2 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ Основная память включает два типа устройств: ОЗУ -оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM - Random Access Memory) ПЗУ -постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM - Read Only Memory)

3 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ ОЗУ предназначено для хранения переменной информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения и хранения.

4 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, например стандартные программы и константы. Чаще всего информация заносится в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ, но есть и перезаписываемые ПЗУ. Основными операциями, которые может выполнять ПЗУ, являются чтение и хранение. ПЗУ является энергонезависимым элементом

5 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ Базовым запоминающим элементом ОЗУ являются элементы, имеющих два устойчивых состояния, которые могут меняться извне. Таковым элементом может быть: –бистабильная ячейка –триггер –магнитный элемент с катушкой перемагничивания и др.

6 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации +5 в 0 в «1» «0» Центральные устройства ЭВМ Принцип работы ПЗУ - наличие «0» или «1» на выходе Функции элементов памяти в ПЗУ выполняют перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов. Занесение информации в микросхему ПЗУ называется ее программированием, а устройство, с помощью которого заносится информация, - программатором. Программирование ПЗУ заключается в устранении (прожигании) перемычек

7 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ Основной составной частью ОЗУ является массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицу При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП. Адрес делится на две части (две координаты) - Х и Y. На пересечении этих координат находится элемент памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена.

8 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ ОЗУ связано с остальным микропроцессорным комплектом ЭВМ через системную магистраль (СМ)

9 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ 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

10 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ ячейками памяти Элементы памяти матрицы группируются блоками (обычно равными или кратными байту), часто называемые ячейками памяти. Адресация производится только к ячейке памяти. Максимальная емкость памяти определяется количеством (m) линий в шине адреса системной магистрали: 2 m. IBM PC XT шина адреса CM содержит 20 линий - максимальный объем ОП 2 20 байт = 1Мбайт. IBM PC AT CM содержит 24 линии - максимальный объем ОП 16Мбайт. Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный объем ОП 2 32 байта = 4Гбайта

11 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ Микросхемы памяти могут строиться на статических (SRAM) и динамических (DRAM) ЭП. В качестве статического ЭП чаще всего выступает статический триггер. В качестве динамического ЭП может использоваться электрический конденсатор, сформированный внутри кремниевого кристалла.

12 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ Статические ЭП Статические ЭП способны сохранять свое состояние (0 или 1) неограниченно долго (при включенном питании). Динамические ЭП 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.

13 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ 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. Из-за необходимости регенерации информации динамические ОЗУ имеют более сложные схемы управления.

14 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ Основными характеристиками ОЗУ являются объем и быстродействие. Объем современных ОЗУ практически ограничен только разрядностью системной магистрали. Быстродействие чаще всего определяют через время доступа (1-10 нсек)

15 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ 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. Разрядность шины данных (8, 16, 32 или 64 бита) определяет длину информационной единицы, которой можно обменяться с ОЗУ за одно обращение

16 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ пропускная способность Интегральной характеристикой производительности ОЗУ с учетом частоты и разрядности является пропускная способность, которая измеряется в мегабайтах в секунду.

17 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ Сверхоперативные ЗУ используются для хранения небольших объемов информации и имеют значительно меньшее время (в раз) считывания/записи, чем основная память. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах

18 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ По назначению регистры делятся на регистры хранения и регистры сдвига. Информация в регистры может заноситься и считываться либо параллельно, сразу всеми разрядами, либо последовательно, через один из крайних разрядов с последующим сдвигом занесенной информации. Сдвиг записанной в регистр информации может производиться вправо или влево. реверсивным. Если регистр допускает сдвиг информации в любом направлении, он называется реверсивным.

19 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ Регистры могут быть объединены в единую структуру. Возможности такой структуры определяются способом доступа и адресации регистров. Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом. Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: -магазинного типа, -память с выборкой по содержанию (ассоциативные ЗУ).

20 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ Память магазинного типа образуется из последовательно соединенных регистров

21 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ При записи в регистровую структуру (рис. а) через один регистр, а считывание - через другой, то такая память является аналогом линии задержки и работает по принципу «первым вошел - первым вышел» (FIFO - first input, first output). стековой памятью, При записи и чтении через один и тот же регистр (рис. б), такое устройство называется стековой памятью, работающей по принципу «первым вошел - последним вышел» (FILO - first input, last output)

22 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ безадресной. Память с выборкой по содержанию является безадресной. Обращение к ней осуществляется по специальной маске, которая содержит поисковый образ. Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске

23 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ В микропроцессорах ассоциативные ЗУ используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или требуемым операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес, если искомая информация имеется в СОЗУ, то она будет сразу выдана. Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОП, а это позволяет экономить время, так как обращение к СОЗУ требует в раз меньше времени, чем обращение к ОП

24 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Центральные устройства ЭВМ Кэш-память двух типов: кэш-память I уровня– кэш-память I уровня – встроенная в кристалл процессора память объем от 16 кбайт, время доступа: нс кэш-память II уровня – кэш-память II уровня – в виде отдельной микросхемы (внешняя кэш-память) объем от 256 кбайт, время доступа: 15 нс

25 Размещение информации в основной памяти IBM PC Вычислительные системы, сети и телекоммуникации байт Адресуемой единицей информации основной памяти IBM PC является байт. В младших адресах располагаются блоки операционной системы (векторы прерываний, зарезервированная область памяти BIOS, драйверы устройств, дополнительные обработчики прерываний DOS и BIOS, командный процессор операционной системы).

26 Размещение информации в основной памяти IBM PC Вычислительные системы, сети и телекоммуникации После операционной системы располагается область памяти, отведенная пользователю. Область памяти пользователя заканчивается адресом 9FFFF. Этот адрес является физической границей оперативного ЗУ, последним адресом 640- Кбайтовой основной памяти. Остальное адресное пространство (128 Кбайт с адреса АОООО по BFFFF) отведено под видеопамять, которая физически размещается не в ОП, а в адаптере дисплея.

27 Размещение информации в основной памяти IBM PC Вычислительные системы, сети и телекоммуникации После видеопамяти расположено адресное пространство (256 Кбайт) постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), хранящего программы базовой системы ввода-вывода (BIOS Basic Input-Output System). Эта часть ОП еще называется ROM-BIOS. Из отведенных 256 Кбайт непосредственно ПЗУ занимает 64 Кбайта, а остальные 192 Кбайта оставлены для расширения ПЗУ.

28 Размещение информации в основной памяти IBM PC Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Запись в ОП (и чтение из нее) может осуществляться не только байтами, но и машинными словами. Машинное слово Машинное слово характеризуется не всеми адресами занятых байтов, а только одним - адресом младшего байта слова. При записи слова младший байт размещается по адресу, который является адресом машинного слова, старший байт машинного слова размещается в следующем по порядку байте ОП, имеющем номер, увеличенный на 1 (здесь действует мнемоническое правило «младший байт по младшему адресу») Старший байтМладший байт Номера разрядов в байтах

29 Размещение информации в основной памяти IBM PC Вычислительные системы, сети и телекоммуникации При чтении из ОП двух следующих подряд байтов машинного слова их принято размещать слева направо: сначала первый из прочитанных байтов (с меньшим адресом), а затем следующий. В результате происходит «вращение» байтов Старший байт Младший байт Номера разрядов в байтах

30 Размещение информации в основной памяти IBM PC Вычислительные системы, сети и телекоммуникации При записи отдельных байтов каждый байт располагается в ОП по своему адресу, при чтении никакого вращения не происходит. При записи же в ОП единиц информации; имеющих в своем составе больше одного байта, адресом информационной единицы является адрес самого младшего байта, запись в ОП ведется побайтно, начиная с самого младшего байта, каждый последующий байт располагается в ячейке, адрес которой на 1 больше предыдущего. Иными словами, запись машинного или двойного слова производится справа налево, тогда как при чтении считанные байты обычно располагаются слева направо происходят «вращение» байтов, перестановка их местами, что необходимо учитывать при работе с ОП на физическом уровне.