Лекция 7. Память. Организация памяти.
Вопросы для самопроверки
1) В чём заключаются архитектурные особенности процессоров Pentium?
2) Что входит в состав прикладной и системной моделей процессоров Pentium? Какие команды составляют систему команд процессоров Pentium? Назовите режимы адресации, поддерживаемые процессорами Pentium.
3) В чём заключается суть многопрограммного и многозадачного режимов работы?
4) Каким образом осуществляется защита в многозадачном режиме работы ВМ? Назовите составляющие дескриптора доступа к сегменту. Что представляют собой кольца защиты? Каким образом осуществляются переходы к командам и данным в пределах колец защиты и между ними? Дайте определение понятиям «согласованный сегмент», «шлюз вызова».
5) Назовите средства поддержки многозадачности процессоров Pentium. Поясните схему переключения задач. Что такое сегмент задачи TSS?
6) Назовите основные направления развития процессоров.
Память – одна из наиболее важных подсистем вычислительных машин. В первую очередь от памяти зависят функциональные возможности вычислительной машины как средства обработки данных. Организация и характеристики памяти существенно влияют на общетехнические показатели вычислительных машин: производительность, стоимость, надежность /1/.
7.1 Иерархическая организация памяти
Совокупность устройств, обеспечивающих запись, хранение и чтение информации в вычислительной машине, образует систему памяти /1/. Основные характеристики памяти /1, 4, 6/:
1) информационная ёмкость;
2) время доступа к информации – промежуток времени между началом обращения процессора за данными и моментом их появления на выходе памяти;
3) стоимость хранения единицы информации (бита).
Эти параметры находятся между собой в противоречии. Например, большая информационная ёмкость не сочетается с высоким быстродействием. А быстродействие, в свою очередь, не сочетается с низкой стоимостью. Поэтому системы памяти имеют обычно иерархическую многоступенчатую организацию с использованием различных устройств.
В иерархии памяти можно выделить следующие уровни /4/:
1) регистровая память – набор регистров процессора, благодаря которым уменьшается число обращений к другим уровням памяти, реализованным вне процессора и требующим большого времени для операций обмена информацией;
2) кэш – память(сверхоперативная память) – служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена; работа с кэш – памятью высокого быстродействия повышает производительность вычислительных машин;
3) основная память (оперативная, постоянная, полупостоянная) – работает в режиме обмена информацией с процессором и, по возможности, согласуется с ним по быстродействию; исполняемый в текущий момент фрагмент программы обязательно находится в основной памяти;
4) специализированные виды памяти, характерные для некоторых специфических архитектур (видеопамять, многопортовая память и т.д.);
5) внешняя память – позволяет хранить большие объёмы информации; реализуется обычно на основе устройств с подвижным носителем информации (магнитные и оптические диски, магнитные ленты и др.).
В некоторых источниках /8/ накопители на магнитных лентах и оптических дисках относят еще к одному уровню – архивной памяти.
Чем ниже уровень иерархии, тем выше быстродействие, но при этом также возрастает стоимость запоминающего элемента. На отдельных этапах решения какой-либо задачи в вычислительном процессе задействована относительно небольшая доля команд данных соответствующей программы. В процессе работы эту часть информации требуется обновлять. Это свойство и позволяет использовать в вычислительных системах устройства памяти с различным быстродействием. Выбор информационного объёма устройств памяти и организации обмена между ними проводятся в целях оптимизации соотношения стоимости к быстродействию всей системы памяти /1/.
Далее рассмотрим типичные сигналы простейшего запоминающего устройства и разновидности современных запоминающих устройств (ЗУ).
7.2 Классификация запоминающих устройств
Условное обозначение простейшего ЗУ и его типовые сигналы представлены на рисунке 7.1 /4/. Обозначение M (Memory) – устройство памяти.
A – адрес, разрядность которого n определяется числом ячеек памяти; является номером ячейки, к которой идёт обращение: 
, где N - количество ячеек устройства памяти.
Рисунок 7.1 – Условное обозначение и типовые сигналы простейшего ЗУ
CS (Chip Select) – сигнал, который разрешает или запрещает работу данной микросхемы.
R/W – сигнал, задающий выполняемую операцию (при единичном значении – чтение (Read), при нулевом – запись (Write)).
DI (Data Input) и DO (Data Output) – шины входных и выходных данных, разрядность которых m определяется разрядностью ячеек запоминающего устройства. В некоторых устройствах памяти эти линии объединены (обозначаются как DIO).
Вначале подаётся адрес, чтобы последующие операции не коснулись какой-либо ячейки, кроме выбранной. Затем разрешается работа микросхемы сигналом CS и подаётся сигнал чтения/записи R/W. В зависимости от вида операции, на выходе DO формируются считываемые данные или на ходе DI готовятся данные для записи.
Классифицировать ЗУ можно по различным признакам. Рассмотрим наиболее важные из них /4/.
По способу доступа ЗУ делятся на адресные, последовательные и ассоциативные.
1) При адресном доступе код на адресных входах указывает ячейку, с которой ведётся обмен информацией. В момент обращения все ячейки адресной памяти равнодоступны. Другие виды памяти часто строят на основе адресной памяти с соответствующими модификациями. В свою очередь адресные ЗУ по организации записи делятся на оперативные - ОЗУ (RAM – Random Access Memory) и постоянные – ПЗУ (ROM – Read Only Memory).
1.1) ОЗУ хранит данные, используемые при исполнении текущей программы, которые могут быть изменены в произвольный момент времени. ОЗУ является энергозависимым устройством.
По способу хранения информации ОЗУ делятся на статические и динамические.
1.1.1) В статических ОЗУ (SRAM – Static RAM) запоминающими элементами являются триггеры, сохраняющие своё состояние, пока схема находится под питанием и нет новой записи данных. Статические ОЗУ выполняются как однопортовые (возможны одновременные обращения только к одной ячейке) и многопортовые (возможны одновременные обращения более чем к одной ячейке). Кроме того, статические ОЗУ по возможности синхронизации с процессором делятся на асинхронные и синхронные.
1.1.1.1) В асинхронных ОЗУ после произвольного по времени обращения к памяти до выдачи данных проходит определённое время, которое не синхронизировано с работой процессора. Вследствие этого могут возникать дополнительные задержки обмена данными между памятью и процессором.
1.1.1.2) В синхронных ОЗУ длительности этапов работы памяти жёстко связаны с синхросигналами системы, что позволяет исключить потери времени при обмене данными между памятью и процессором, а также организовать конвейерную обработку данных. Таким образом, синхронность памяти является средством повышения её быстродействия.
1.1.2) В динамических ОЗУ (DRAM – Dynamic RAM) данные хранятся в виде зарядов конденсаторов; при этом конденсаторы должны периодически регенерироваться. Динамические ОЗУ имеют намного более высокую информационную ёмкость и в несколько раз дешевле статических ОЗУ, которые, в свою очередь, являются более быстродействующими.
В настоящее время именно динамические ОЗУ используются как основная память вычислительных машин. Статические ОЗУ используются для построения кэш-памяти, буферной памяти и т.п.
1.2) В ПЗУ содержимое либо не изменяется, либо изменяется редко и в специальном режиме.
1.2.1) Постоянная масочная память или масочное ПЗУ (ПЗУМ, ROM(M)) является однократно программируемой памятью; информация в неё записывается на промышленных предприятиях с помощью шаблона (маски). В дальнейшем содержимое ПЗУМ не изменяется.
1.2.2) Программируемая пользователем память или программируемое ПЗУ (ППЗУ, PROM) делится на программируемую однократно и программируемую многократно. В первом случае информация однократно перезаписывается потребителем в лабораторных условиях с помощью программаторов. Во втором случае содержимое может быть изменено либо в лабораторных условиях либо в специальных режимах. Популярная в настоящее время FLASH-память относится к многократно программируемым ПЗУ, хотя и обладает рядом особенностей, позволяющих выделить её в отдельный вид памяти; более подробно будет рассмотрена ниже.
2) В устройствах памяти с последовательным доступом записываемые данные образуют некоторую очередь. Считывание происходит из очереди слово за словом либо в порядке записи (FIFO – First Input First Output), либо в обратном порядке (LIFO – Last Input First Output). Моделью такого запоминающего устройства является последовательная цепочка запоминающих элементов, в которой данные передаются между соседними элементами. По способу организации очереди последовательные ЗУ делятся на следующие виды:
2.1) Буфер FIFO (принцип описан выше).
2.2) Буфер LIFO (принцип описан выше).
2.3) Файловое ЗУ – записываемые данные объединяются в специальные блоки (файлы). Чтение данных из файлового ЗУ осуществляется в прямом порядке и начинается после обнаружения приёмником символа начала блока.
2.4) Циклическое ЗУ – данные доступны одно за другим с постоянным периодом, определяемым ёмкостью памяти. К циклическим ЗУ относятся, например, видеопамять, буфер клавиатуры.
3) Ассоциативный доступ реализует поиск информации по некоторому признаку, а не по её расположению в памяти (адресу или месту в очереди). Основная область применения ассоциативное памяти в вычислительных машинах – кэширование данных.
Среди перспективных ЗУ следует отметить /4/:
1) ЗУ ферроэлектрического типа (FRAM – Ferroelectric RAM), имеющие высокие ёмкость и быстродействие, а также обладающие свойствами энергонезависимости.
2) Магниторезисторные ЗУ (MRAM – Magnetoresistive RAM), обладающие свойствами естественной энергонезависимости, а также неразрушающего чтения.
Для более широкого внедрения указанных выше ЗУ в качестве памяти вычислительных машин необходимо решить некоторые проблемы, что требует дальнейших исследований свойств данных ЗУ /4/.
Более подробно рассмотрим принципы организации адресной памяти, памяти с последовательным доступом, ассоциативной памяти.