Архітектура комп'ютерів

Характеристики; отдельных  видов памяти представлены в табл. 11.2.

В конце 2002 года появилось  сообщение о создании компаниями Toshiba и Infineon Technologies AG новой ферроэлектрической микросхемы энергонезависимой памяти (FeRAM — Ferroelectric Random Access non-volatile Memory) емкостью 32 Мбит, по пропускной способности сравнимой с SDRAM.

Компании IBM и Infineon Technologies разработали технологию магнитной оперативной памяти с произвольной выборкой (MRAM). MRAM является энергонезависимой и работает во многом аналогично флеш-памяти (Flash). IBM сообщaла, что MRAM сможет заменить существующие разновидности DRAM уже в 2005 году. Компьютер с MRAM должен загружаться практически мгновенно.

Развитие технологии хранения информации наглядно свидетельствует  о движении технического прогресса  по спирали, на следующем витке спирали используются старые принципы, реализованные в более прогрессивной технологии. Действительно, первые ОЗУ строились на базе электроакустических линий задержки и на специальных электронно-лучевых трубках (динамические ОЗУ), затем на магнитных тороидальных сердечниках и пленках (МОЗУ), далее снова динамическая память на полевых транзисторах, и грядет MRAM (опять МОЗУ).

Таблица 11.2. Характеристики некоторых типов памяти

Год выпуска	Тип памяти	Тактовая час- тота, МГц	Разрядность шины, бит	Пиковая пропускная способность, Мбайт/с
1987	FPM DRAM	33	32	132
1995	EDO DRAM	50	32	200
1997	SDRAM	66	64	528
1998	SDRAM	100	64	800
2000	SDRAM	133	64	1064
1999	DRDRAM, 1 канал	600	16	1200
2000	DRDRAM, 1 канал	800	16	1600
2001	DRDRAM, 2 канала	600	16	2400
2001	DRDRAM, 2 канала	800	16	3200
2002	DRDRAM, 2 канала	1066	16	4300
2001	DDR SDRAM	100	64	1600
2001	DDR SDRAM	150	64	2400
2002	DDR SDRAM II	100	64	3200
2003	DDR SDRAM II	200	64	6400
2004	DDR SDRAM II	266	64	8533
2005	DDR SDRAM II	400	64	12800

 

Постоянные  запоминающие устройства

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, или ROM — Read Only Memory, память только для чтения) также строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS) и т. д.

К ПЗУ принято относить энергонезависимые  постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ выполняется вне ПК в лабораторных условиях или при наличии специального программатора и в компьютере. По технологии записи информации можно выделить ПЗУ следующих типов:

□  микросхемы, программируемые только при изготовлении, — классические или масочные ПЗУ или ROM;

□   микросхемы, программируемые  однократно в лабораторных условиях, — программируемые ПЗУ (ППЗУ), или  programmable ROM (PROM);

□ микросхемы, программируемые многократно, — перепрограммируемые ПЗУ или erasable PROM (EPROM). Среди них следует отметить электрически перепрограммируемые микросхемы EEPROM (Electrical Erasable PROM), в том числе флеш-память.

Устанавливаемые на системной плате  ПК модули и кассеты ПЗУ имеют  емкость, как правило, не превышающую 128 Кбайт. Быстродействие у постоянной памяти меньшее, чем у оперативной, поэтому для повышения производительности содержимое ПЗУ копируется в ОЗУ, и во время работы непосредственно используется только эта копия, называемая также теневой памятью ПЗУ (Shadow ROM).

В настоящее время  в ПК используются «полупостоянные», перепрограммируемые запоминающие устройства — флеш-память. Модули или  карты флеш-памяти могут устанавливаться  прямо в разъемы материнской  платы и имеют следующие параметры: емкость до 512 Мбайт (в ПЗУ BIOS используются до128 Кбайт), время обращения по считыванию 0,035-0,2 мкс, время записи одного байта 2-10 мкс. Флеш-память — энергонезависимое запоминающее устройство. Примером такой памяти может служить память NVRAM — Non Volatile RAM со скоростью записи 500 Кбайт/с. Обычно для перезаписи информации необходимо подать на специальный вход флеш-памяти напряжение программирования (12 В), что исключает возможность случайного стирания информации. Перепрограммирование флеш-памяти может выполняться непосредственно с гибкого диска или с клавиатуры ПК при наличии специального контроллера либо с внешнего программатора, подключаемого к ПК. Флеш-память бывает очень полезной как для создания весьма быстродействующих компактных альтернативных НМД запоминающих устройств — «твердотельных дисков», так и для замены ПЗУ, хранящего программы BIOS, позволяя прямо с «дискеты» обновлять и заменять эти программы на более новые версии при модернизации ПК.

Лекция  13

Логическая  структура основной памяти

 

Структурно основная память состоит из миллионов отдельных  однобайтовых ячеек памяти. Общая  емкость основной памяти современных  ПК обычно лежит в пределах от 16 до 512 Мбайт. Емкость ОЗУ на один-два  порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает 128 Кбайт, остальной объем — это ОЗУ. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес. Для ОЗУ и ПЗУ отводится единое адресное пространство.

Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти. Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, поскольку максимальное количество адресов определяется разнообразием двоичных чисел, которые можно отобразить в п разрядах, то есть адресное пространство равно 2ⁿ, где п — разрядность адреса. За основу в ПК взят 16-разрядный адресный код, равный по длине размеру машинного слова. При помощи 16-разрядного представления адреса можно непосредственно адресовать всего 2¹⁶ - 65 536 = 64 Кбайт ячеек памяти. Это 64-килобайто-вое поле памяти, так называемый сегмент, также является базовым в логической

структуре ОП. Следует  заметить, что в защищенном режиме размер сегмента может быть иным и значительно превышать 64 Кбайт.

Современные ПК (кроме  простейших бытовых компьютеров) имеют основную память, емкостью существенно больше 1 Мбайт. Но память до 1 Мбайт является еще одним важным структурным компонентом ОП — назовем ее непосредственно адресуемой памятью (справедливо полностью только для реального режима). Для адресации 1 Мбайт = 2²⁰ - 1 048 576 ячеек непосредственно адресуемой памяти необходим 20-разрядный код, получаемый в ПК при помощи специальной структуризации адресов ячеек ОП.

Абсолютный (полный, физический) адрес (А_а6с) формируется в виде суммы нескольких составляющих, чаще всего используемыми из которых являются адрес сегмента и адрес смещения.

Адрес сегмента (A_сегм) — это начальный адрес 64-килобайтового поля, внутри которого находится адресуемая ячейка.

Адрес смещения (А_см) — это относительный 16-разрядный адрес ячейки внутри сегмента.

А_сегм должен быть 20-разрядным, но если принять условие, что А_сегм должен быть обязательно кратным параграфу (в последних четырех разрядах должен содержать нули), то однозначно определять этот адрес можно 16-разрядным кодом, «увеличенным» в 16 раз, что равносильно дополнению исходного кода справа четырьмя нулями и превращению его, таким образом, в 20-разрядный код. То есть условно можно записать:

А_а6с = 16 A_сегм +  А_см

Для удобства программирования и оптимизации ряда операций микропроцессоры ПК поддерживают еще две составляющие смещения: адрес базы и адрес индекса. Следует отметить, что процессор ПК может обращаться к основной памяти, используя только абсолютный адрес, в то время как программист может использовать все составляющие адреса, рассмотренные ранее.

В современных ПК существует режим виртуальной адресации (virtual — мнимый, кажущийся, воображаемый). Виртуальная адресация применяется для увеличения адресного пространства ПК при наличии ОП большой емкости (простая виртуальная адресация) или при организации виртуальной памяти, в которую наряду с ОП включается и часть внешней (обычно дисковой) памяти. При виртуальной адресации вместо начального адреса сегмента A_сегм в формировании абсолютного адреса А_а6с принимает участие многоразрядный адресный код, считываемый из специальных таблиц. Принцип простой виртуальной адресации можно пояснить следующим образом. В регистре сегмента содержится не А_сегм, а некий селектор, имеющий структуру:

ИНДЕКС

F

СЛ

где СЛ — вспомогательная  служебная информация; F — идентификатор, определяющий тип таблицы дескрипторов для формирования А_сегм (таблицы дескрипторов создаются в ОП при виртуальной адресации автоматически):

□ если F = 0, то используется глобальная таблица дескрипторов (GDT) общая для всех задач, решаемых в ПК в многозадачном режиме;

□ если F = 1, то используется локальная таблица дескрипторов (LDT), создаваемая для каждой задачи отдельно.

В соответствии с индексом и идентификатором из GLT или LDT извлекается 64-битовая строка, содержащая, в частности, и адрес сегмента. Разрядность этого адреса зависит от размера адресного пространства микропроцессора, точнее, равна разрядности его адресной шины. Подобная виртуальная адресация используется в защищенном режиме работы микропроцессора. Для большей плотности размещения информации в оперативной памяти (уменьшения сегментированности, характерной для многозадачного режима) часто практикуется сегментно-страничная адресация, при которой поля памяти выделяются программам внутри сегментов страницами размером от 2 до 4 Кбайт. Формирование сегментно-страничной структуры адресов выполняется автоматически операционной системой.

Виртуальная память создается  при недостаточном объеме оперативной  памяти, не позволяющем разместить в ней сразу всю необходимую  информацию для выполняемого задания. При загрузке очередной задачи в оперативную память необходимо выполнить распределение машинных ресурсов, в частности оперативной памяти, между компонентами одновременно решаемых задач (в принципе, оперативной памяти может не хватить и для решения одной сложной задачи). При подготовке программ в их код заносятся условные адреса, которые должны быть затем привязаны к конкретному месту в памяти. Распределение памяти может выполняться или в статическом режиме до загрузки программы в ОП, или в динамическом режиме автоматически в момент загрузки программы либо в процессе ее выполнения. Статическое распределение памяти весьма трудоемко, поэтому применяется редко. Если очевидно, что реальная память меньше требуемого программой адресного пространства, программист может вручную разбить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости, — создать оверлейную структуру программы. Обычно же используется режим динамического распределения памяти.

При динамическом распределении  памяти в случае недостаточной емкости ОП полезно воспользоваться виртуальной памятью. В режиме виртуальной памяти пользователь имеет дело не с физической ОП, действительно имеющейся в ПК, а с виртуальной одноуровневой памятью, емкость которой равна всему адресному пространству микропроцессора. На всех этапах подготовки программы, включая ее загрузку в оперативную память, в программе используются виртуальные адреса, и лишь при непосредственном исполнении машинной команды выполняется преобразование виртуальных адресов в реальные физические адреса ОП. При этом реально программа может размещаться частично в ОП, частично во внешней памяти на жестком диске.

Технология организации  виртуальной памяти следующая. Физические оперативная и дисковая (привлеченная к задаче) память и виртуальная память разбиваются на страницы одинакового размера по 4 Кбайт. Страницам виртуальной и физической памяти присваиваются номера, которые сохраняются одними и теми же на весь период решения задачи. Операционная система формирует две таблицы:

□   страниц виртуальной памяти;

□   физического  размещения страниц,

и устанавливает логические связи между ними (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Таблица страниц  виртуальной памяти

 

На рис. 11.2 видно, что  физические страницы могут находиться в текущий момент времени как  в оперативной, так и во внешней памяти. Из внешней памяти виртуальные страницы автоматически перемещаются в оперативную только тогда, когда к ним происходит обращение. При этом они замещают уже отработавшие страницы. Страничные таблицы для каждой программы формируются операционной системой в процессе распределения памяти и изменяются каждый раз, когда физические страницы перемещаются из ВЗУ в ОП. Виртуальная память может иметь и сегментно-страничную организацию. В этом случае виртуальная память делится сначала на сегменты, а внутри них на страницы. Принцип организации такой памяти аналогичен рассмотренному выше.

Для ПК характерно стандартное  распределение непосредственно  адресуемой памяти между ОЗУ и  ПЗУ (рис. 11.3).

Стандартная память 640 Кбайт		Верхняя память 384 Кбайт
64 Кбайт Область служебных программ и данных ОС	576 Кбайт Область программ и данных операционной системы и пользователя	256 Кбайт Служебная память	128 Кбайт Область ПЗУ — программ BIOS
ОЗУ			ПЗУ