Логическая структура основной памяти ПК типа IBM PC

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Для этих ПК характерно стандартное распределение непосредственно адресуемой памяти между ОЗУ, ПЗУ и функционально ориентированной информацией.

Основная память в соответствии с методами доступа и адресации делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающие друг друга области, имеющие общепринятые названия. Прежде всего, основная память компьютера делится на две логические области: непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кбайта ячеек с адресами от 0 до 2²⁰-1=FFFFF₁₆=1048575₁₀, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов.

Драйвер - специальная программа, управляющая работой памяти или внешними устройствами ЭВМ и организующая обмен информацией между МП, ОП и внешними устройствами ЭВМ. Драйвер, управляющий работой памяти, называется диспетчером памяти.

В свою очередь, непосредственно адресуемая память делится на стандартную память (СМА - Conventional Memory Area) в диапазоне от 0 до 640 Кбайт и верхнюю память (UMA - Upper Memory Area) в диапазоне адресов от 640 до 1024 Кбайт. Верхняя память зарезервирована для памяти дисплея (видеопамяти) и постоянного запоминающего устройства. Однако обычно в ней остаются свободные участки - "окна", которые могут быть использованы при помощи диспетчера памяти в качестве оперативной памяти общего назначения.

Расширенная память - это память с адресами 1024 Кбайта и выше. Непосредственный доступ к этой памяти возможен только в защищенном режиме работы микропроцессора.

В реальном режиме имеются два способа доступа к этой памяти, но только при использовании драйверов. Согласно спецификации XMS (eXtended Memory Specification) доступ к расширенной памяти (эту память называют тогда ХМА - eXtended Memory Area) организуется при использовании драйверов ХММ (eXtended Memory Manager).

Расширенная память в реальном режиме может быть использована главным образом для хранения дат и некоторых программ ОС. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков.

Исключение составляет небольшая 64-Кбайтная область памяти с адресами от 1024 до 1088 Кбайт (так называемая высокая память, иногда ее называют старшая: НМА - High Memory Area), которая может адресоваться и непосредственно при использовании драйвера HIMEM.SYS (High Memory Manager) в соответствии со спецификацией XMS. НМА обычно используется для хранения программ и данных операционной системы.

В ПК начиная МП 80386 существует режим виртуальной адресации. Виртуальная адресация используется для увеличения предоставляемой программам оперативной памяти за счет отображения в части адресного пространства фрагмента внешней памяти.

Микросхемы оперативной памяти

Обычно оперативная память является динамической (Dynamic RAM – DRAM), т.е. значение бита информации в элементе памяти определяется наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе, управляемом одним или двумя транзисторами. Из-за необходимости ожидания перезарядки конденсаторов (накопления или стекания заряда) быстродействие DRAM относительно не высокое (access time ~70 нс). Кроме того, так как конденсаторы чрезвычайно малы, высока вероятность непроизвольного изменения их состояния из-за паразитных утечек и наводок (как ведро с водой, в дне которого есть маленькие дырки). Поэтому для исключения утраты данных периодически проводятся циклы регенерации (refresh rate), заключающиеся в последовательном считывании и повторной записи всей информации. Во время регенерации доступ к ячейкам памяти также невозможен. Времённой интервал между циклами регенерации составляет около 2 мс. Именно из-за необходимости этого регулярного обновления такая память называется динамической.

Для повышения быстродействия DRAM используются специальные методы управления памятью:

· чередование адресов (interleaving mode). Этот метод применяется для уменьшения задержки, связанной с перезарядкой конденсаторов. Для этого каждые последовательно выбираемые ячейки памяти должны относиться к разным блокам (банкам). Пока процессор считывает данные из одного блока, другой получает время для перезарядки. Банки (блоки) ячеек – это две независимые группы ячеек внутри микросхемы;

· страничная выборка (fast paging mode – FPM).

Современные микросхемы памяти с прямым доступом имеют матричную структуру. Запоминающие элементы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляются подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти. Физический адрес ячейки состоит из адресов строки и столбца. Для считывания (записи) информации на микросхему сначала подается код адреса строки, а затем (одновременно или с небольшой задержкой) – сигнал RAS (Row Address Select) выбора адреса строки. Затем через нормируемое время задержки должен быть подан код адреса столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Select) выбора адреса столбца. Под временем выборки (обращения) к памяти подразумевают именно сигнал RAS. После выборки данных нужной ячейки содержимое строки опять записывается на прежнее место в оперативной памяти. Такие переносы данных осуществляются путем изменения состояния конденсаторов, т.е. происходит процесс заряда (или разряда).

Следующее обращение к памяти возможно только через некоторое время, необходимое для восстановления внутренних цепей. Этот промежуток называют временем перезарядки (recharge time), причем оно составляет почти 90% от общего времени выборки. Использование микросхем со страничной организацией памяти позволяет избежать повторения сигнала RAS, если адреса строк выбираемых ячеек памяти лежат в пределах одной страницы (емкость страницы обычно 2 Кбайта). Время доступа может быть сокращено до 60 нс. Может работать без задержки с системными шинами на частоте 33 МГц.

· хранение (удержание) считанных данных в специальных регистрах в течение цикла следующего запроса (extended data output – EDO). Память EDO работает на 10-15% быстрее, чем FPM. Однако преимущество проявляется лишь при чтении данных. Может работать без задержки с системными шинами на частоте 50 МГц.

· чтение сразу четырех слов, расположенных рядом (burst mode – BEDO). Разновидность EDO. Однако эта более быстрая память так и не появилась на рынке, проиграв SDRAM памяти. Может работать без задержки с системными шинами на частоте 66 МГц;

· использование встроенной кэш-памяти на микросхемах SRAM (CDRAM– Cache DRAM и EDRAM – Enhanced (улучшенная) DRAM). Например, на одном кристалле могут находиться 4Мб DRAM и 16Кб SRAM;

В последние годы наиболее популярна разновидность динамической памяти – синхронная SDRAM (Synchronous DRAM), тактирующаяся теми же тактовыми сигналами, что и процессор. В результате чего системный таймер знает точный такт, на котором запрошенные данные могут быть получены и обработаны, что освобождает процессор от необходимости находиться в состоянии ожидания между моментами доступа к памяти. Таким образом, фактическое время выборки данных непосредственно не изменяется, однако увеличивается эффективность работы процессора.

В этой памяти реализованы наряду с синхронным функционированием, такие методы ускорения быстродействия как чередование адресов и работа в пакетно-конвейерном режиме. При пакетном режиме автоматически генерируется серия последовательных адресов (блок данных) в каждый момент, когда процессор запрашивает один адрес. При этом используется предположение о том, что адреса следующих данных, которые будут запрошены процессором, будут следующими по отношению к текущему запрошенному адресу. Такое же предсказание используется в алгоритме работы кэш-памяти. Пакетный режим применяется как при операциях чтения, так и записи. Конвейерная адресация позволяет осуществлять доступ к запрошенным вторыми данным, до завершения обработки запрошенных первыми данных.

SDRAM быстрее стандартной DRAM почти в 4 раза, по сравнению с памятью EDO обеспечивает прирост производительности на 50%. Имеет пропускную способность 100 Мбайт/с. Может работать без задержки с системными шинами на частоте 100 МГц.

В последнее время появились улучшенные варианты памяти с архитектурой SDRAM: DDR (Double Data Rate) SDRAM (или SDRAM II), работающие с удвоенной скоростью передачи данных даже на той же частоте и ESDRAM (Enhanced SDRAM), имеющие блок кэш-памяти и время доступа к самим ячейкам 22 нс, а к строке кэша 12 нс, и позволяющие работать на частоте 133 МГц.

Для работы с процессорами Intel Pentium-IV предназначен новый тип оперативной памяти с архитектурой RAMbus: RDRAM, позволяющие работать на частоте до 600 МГц со скоростью передачи данных 600 Мбайт/с и DRDRAM (Direct RAMbus DRAM), работающие на частоте 800 МГц и выше со скоростью передачи данных до 1,6 Гбайт/с.

Конструктивно микросхемы оперативной памяти обычно выполняются в виде модулей типа SIMM (Single In line Memory Module - модуль памяти с одноразрядным расположением выводов), DIMM (Dual In line Memory Module) или RIMM, разработанных для микросхем памяти с архитектурой RAMbus.

У DIMM модулей в отличие от SIMM контакты на противоположных сторонах платы не связаны между собой, что позволило увеличить количество выводов более чем вдвое (с 72 до 168) и, следовательно, увеличить соотношение ширины системной шины (у Pentium 64-разрядная) к геометрическим размерам модуля. Модули DIMM иногда называют также двусторонними (double sided) SIMM. На DIMM-модули наряду с микросхемами SDRAM устанавливают микросхемы буфера ввода-вывода, в котором сохраняются поступившие данные, освобождая контроллер, и микросхема ПЗУ – SPD (Serial Presence Detect), в которой записана информация о модуле и производителе.

На материнскую плату можно установить несколько (два и более) модулей DIMM (или SIMM).

ПОСТОЯННАЯ ПАМЯТЬ

Постоянная память (Read-Only Memory – ROM) служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации и позволяет только считывать хранящуюся в ней информацию.

ПЗУ выполняют на специальных электронных элементах, обеспечивающих долговременное, энергонезависимое (non volatile) хранение информации.

Содержимое постоянной памяти заполняется либо при изготовлении микросхем памяти и не может быть изменено (непрограммируемые ПЗУ – в настоящее время практически не применяются), либо с помощью специального ПЗУ-программатора (ПЗУ-прожигателя) и не может быть в дальнейшем отредактировано (PROM – Programmable ROM).

Современные ПЗУ, позволяют удалять хранимую в них информацию и заносить новую. Такое ПЗУ называется стираемым (EPROM – Erasable PROM). EPROM микросхему легко отличить от остальных. Она имеет прозрачное окошко на крышке корпуса. Обычно это окошко закрыто какой-либо наклейкой. И неспроста. Информация в микросхеме стирается ультрафиолетовыми лучами. Запись новой информации осуществляется электрически с помощью внешнего программатора, подключаемого к ЭВМ. Для перезаписи информации необходимо подать на специальный вход микросхемы памяти напряжение программирования (12В), что исключает возможность случайного стирания информации. Время доступа 50 нс, время стирания всей информации 300 с, время записи одного байта 10 мкс

В последнее время ПЗУ строятся на основе микросхем Flash ROM (или EEPROM – Electrically EPROM), содержание которых может перезаписываться при помощи специальной программы. Время стирания намного меньше 1-2 с, время записи 100 нс

FLASH-память может быть полезной как для замены программы BIOS, позволяя оперативно обновлять и заменять эти программы на более новые версии при модернизации ПК, так и для создания весьма быстродействующих компактных "твердотельных дисков".

Структурно основная память состоит из миллионов отдельных ячеек памяти емкостью 1 байт каждая. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит в пределах от 1 до 32 Мбайт. Емкость ОЗУ на один-два порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает, остальной объем - это ОЗУ.

В постоянной памяти хранятся часто используемые при работе ЭВМ программы, к примеру, программа начальной загрузки, программы тестирования оборудования ЭВМ, скэн-коды клавиатуры, иногда ядро операционной системы и т.п. В персональных компьютерах в ПЗУ хранится базовая система ввода-вывода BIOS (Basic Input/Output System) – программное обеспечение (драйверы) необходимое для управления клавиатурой, видеоадаптером, дисками, портами и другими компонентами. Емкость ПЗУ 128 - 256 Кбайт иногда более.

БЫСТРАЯ ПАМЯТЬ (КЭШ-ПАМЯТЬ)

Кэш-память (от английского Cache – запас, склад, тайник) – это высокоскоростная память, которая служит в качестве буферной «емкости» при обмене данных между процессором и оперативной памятью, и позволяет увеличить скорость выполнения операций.

Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название КЭШ (Cache-тайник).

Появление этой памяти связано с тем, что микросхемы DRAM не могут работать в таком же высоком темпе, как современные процессоры. Например, процессор с тактовой частотой 100 Мгц имеет рабочий цикл (такт)
t_ц = 1 / 100´10⁶ Гц = 1´10^-8 с = 10 нс, а время доступа к DRAM памяти существенно больше, поэтому процессору приходится ожидать пока память обработает его запрос. Возникает так называемый режим ожидания (wait state), имеющий в нашем примере продолжительность 6 тактов.

Для уменьшения времени простоя процессора можно использовать статическую память SRAM (Static RAM), в которой применяются специальные запоминающие элементы триггеры, реализованные на 4-6 транзисторах. Быстродействие SRAM памяти выше (меньше 10-15 нс), но она существенно дороже. Поэтому её применение в качестве элементов оперативной памяти невыгодно, а вот использовать её как посредник между процессором и оперативной памятью можно.

Данные при первичном обращении к ним копируются из оперативной памяти в буферную кэш-память. В случае повторного обращения к тем же данным, они уже поступают из кэша. За счет того, что время доступа к кэш-памяти примерно на порядок меньше, чем к оперативной, среднее время доступа к данным, а значит и время выполнения очередных команд значительно уменьшается.

По принципу записи результатов различают два типа КЭШ-памяти:

КЭШ-память "с обратной записью" - результаты операций прежде, чем их записать в оперативную память, фиксируются в КЭШ-памяти, а затем контроллер КЭШ-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в оперативную память.

КЭШ-память "со сквозной записью" - результаты операций одновременно, параллельно записываются и в КЭШ-память, и в оперативную память.

Кэш память, как вы уже знаете, делят на уровни. В ядре процессора имеется встроенная кэш-память 1 уровня (её назначение согласование работы процессора и кэш-памяти 2 уровня). Начиная с Pentium встроенная КЭШ-память делится на две части: для команд и для данных. Её емкость не превышает 32 Кбайта. Кэш-память 2 уровня большего размера обычно располагают на системной плате или на картридже процессора. Емкость кэш-памяти 2 уровня обычно лежит в пределах 128-512 Кбайт.

Кэш-память впервые была использована с процессором Intel 80386, у Intel 80486 кэш-память 1 уровня имела размер 8-16 Кбайт. Современные модели процессоров (Pentium III/IV, Xeon) имеют кэш-память 2 уровня на модуле самого процессора. Последние модели Pentium III имеют КЭШ-память 2-го уровня объемом 256 Кбайт, интегрированную в процессор, соединенную с ним 256-разрядной шиной и работающую на частоте процессора. Это увеличило скорость передачу данных по шине КЭШ-процессор для процессора с частотой 1 ГГц до 16 Гбайт/с.

У Pentium IV КЭШ-память команд 1-го уровня (8 Кб) выполнена по технологии с отслеживанием выполнения (Execution Trace Cache). Она хранит до 12000 декодированных микрокоманд в порядке их выполнения. Это увеличивает быстродействие процессора за счет устранения дешифратора из цикла выполнения машинных команд. Интегрированная в процессор КЭШ-память 2-го уровня с улучшенной передачей данных (Advanced Transfer Cache) объемом 256 Кб, обеспечивает скорость передачи данных для процессора с частотой 1,5 ГГц 48 Гбайт/с.

Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 198; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!