Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

1. Центральные устройства ЭВМ • 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. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

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

3. 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. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

4. 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 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

5. 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. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

6. +5 в «1» «0» 0 в Центральные устройства ЭВМ Принцип работы ПЗУ - наличие «0» или «1» на выходеФункции 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 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

7. Центральные устройства ЭВМ Основной составной частью ОЗУ является массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицуПри 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. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

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

9. 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 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

10. Центральные устройства ЭВМ 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: 2m. IBM PC XT шина адреса CM содержит 20 линий - максимальный объем ОП 220байт = 1Мбайт.IBM PC AT CM содержит 24 линии - максимальный объем ОП 16Мбайт. Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный объем ОП 232байта = 4Гбайта Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

11. 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. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

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

13. 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. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

14. 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) Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

15. 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 64бита) определяет длину информационной единицы, которой можно обменяться с ОЗУ за одно обращение Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

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

17. Центральные устройства ЭВМ Сверхоперативные ЗУ используются для хранения небольших объемов информации и имеют значительно меньшее время (в 2 - 10 раз) считывания/записи, чем основная память. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

18. 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. Если регистр допускает сдвиг информации в любом направлении, он называется реверсивным. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

19. 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). Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

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

21. 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). 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) Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

22. Центральные устройства ЭВМ 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 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

23. 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 2 - 10 раз меньше времени, чем обращение к ОП Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

24. Центральные устройства ЭВМ • Кэш-память двух типов: • кэш-память I уровня–встроенная в кристалл процессора память • объем от 16 кбайт,время доступа:5 - 10 нс • кэш-память II уровня – в виде отдельной микросхемы (внешняя кэш-память) • объем от 256 кбайт,время доступа: 15 нс Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

25. Размещение информации в основной памяти IBM PC 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). Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

26. Размещение информации в основной памяти IBM PC 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. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

27. Размещение информации в основной памяти IBM PC 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. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

28. Старший байт Младший байт 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 Размещение информации в основной памяти IBM PC Запись в ОП (и чтение из нее) может осуществляться не только байтами, но и машинными словами. Машинное словохарактеризуется 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»). Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Номера разрядовв байтах

29. 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 Размещение информации в основной памяти IBM PC 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. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Младший байт Старший байт Номера разрядовв байтах

30. Размещение информации в основной памяти IBM PC 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. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации