Для хранения данных

Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти:

- микропроцессорная память (МПП);

- регистровая кэш-память;

- основная память (ОП);

- внешняя память (ВЗУ).

Две важнейших характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) указан­ных типов памяти приведены в табл. 3.

Быстродействие первых трех типов запоминающих устройств измеряется временем обращения к ним, а быстродействие внешних запоминающих устройств двумя параметрами: временем доступа и скоростью считывания.

Оперативная память может строиться на микросхемах динамического (Dinamic Random Access Memory — DRAM) или статического (Static Random Access Me­mory — SRAM) типа.

Статическийтип памяти обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже динамического. В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров — схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состо­янии сколь угодно долго — необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при по­мощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную емкость (единицы мегабит на корпус) и высокое энергопотребление. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш-память).

В динамической памяти ячейки построены на основе полупроводниковых облас­тей с накоплением зарядов(своеобразных конденсаторов), занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Конденсаторы расположены на пересечении вертикальных и горизон­тальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элемента­ми, принадлежащими выбранной ячейке памяти. При обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки), затем, через некоторое время — адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe — строб адреса столбца). Поскольку конденсаторы постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке в течение нескольких миллисекунд), во избежание потери хранимой ин­формации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти — динамическая. На подзаряд тратится и энергия и время, и это снижает производительность системы.

Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (десятки наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков мегабит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

Регистровая кэш-память — высокоскоростная память сравнительно большой ем­кости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, от­сюда и название кэш (Cache), что в переводе с английского означает «тайник».

В современных материнских платах используется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы — быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд про­граммы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опе­режением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП.

По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш-памяти:

- в кэш-памяти «с обратной записью» результаты операций прежде, чем их запи­сать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно пере­записывает эти данные в ОП;

- в кэш-памяти «со сквозной записью» результаты операций одновременно, па­раллельно записываются и в кэш-память, и в ОП.

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную в основное ядро МП кэш-память (или кэш-память 1-го уровня — L1), чем, в частности, и обуслов­ливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд: у Pentium емкость этой памя­ти небольшая — по 8 Кбайт, у Pentium ММХ — по 16 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте.

Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (L3) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайт (кэш на MB отно­сится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-го уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш ра­ботает, и составляет обычно 1-2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium ха­рактерно время обращения 2-5 нс, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени обращения, и от пропускной способности интерфейса и лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с.

Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность систе­мы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше производительность, но эта зависи­мость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ илиROM — 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 programinable ROM (PROM);

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

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

В настоящее время в ПК используются полупостоянные, перепрограммируемые запоминающие устройства — FLASH-память. Модули или карты FLASH-памяти могут устанавливаться прямо в разъемы материнской платы и имеют следующие параметры: емкость от 32 Кбайт до 15 Мбайт (в ПЗУ используется до 128 Кбайт), время обращения по считыванию 0,035 - 0,2 мкс, время записи одного байта 2-10 мкс;

FLASH-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 FLASH-памяти напряжение программирования (12 В), что исклю­чает возможность случайного стирания информации. Перепрограммирование FLASH-памяти может выполняться непосредственно с дискеты или с клавиатуры ПК при наличии специального контроллера либо с внешнего программатора, под­ключаемого к ПК. FLASH-память может быть весьма 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.

Логическая структура основной памяти

Структурно основная память состоит из миллионов отдельных ячеек памяти, емкостью 1 байт каждая. 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 (отличный от всех дру­гих) адрес. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ — единое адресное про­странство.

Адресное пространство определяет максимально возможное количество непо­средственно адресуемых ячеек основной памяти. Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, ибо максимальное количество разных адресов опре­деляется разнообразием двоичных чисел, которые можно отобразить в празря­дах, 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 наличии 16-разрядного кода адреса можно непосредственно адресо­вать всего 2¹⁶ = 65 536 = 64 К (К = 1024) ячеек памяти. Вот это 64-килобайтное 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 Кбайта.

Современные ПК (кроме простейших бытовых компьютеров) имеют основную память, емкостью существенно больше 1 Мбайт: память, емкостью 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 путем использования спе­циальных приемов структуризации адресов ячеек ОП.

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

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

Адрес смещения (А_асм) — 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 его справа четырьмя нулями и превра­щению его, таким образом, в 20-разрядный код. То есть условно можно записать:

А_абс = 16хА_сегм + А_асм.

Программисты иногда используют еще две составляющие адреса 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 выше.

В современных ПК существует режим виртуальной адресации (Virtual — кажу­щийся, воображаемый). Виртуальная адресация используется 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 А_сегм в формировании абсолютного адреса А_абс принимает участие многоразрядный адресный код, считываемый из специаль­ных таблиц. Принцип простой виртуальной адресации можно пояснить следую­щим образом. В регистре сегмента (обычно регистр DS) содержится не А_сегм, а не­кий селектор, имеющий структуру:

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

- если F = 0, то используется глобальная дескрипторная таблица (GDT), общая для всех задач, решаемых в ПК при многопрограммном режиме;

- если F = 1, то используется локальная дескрипторная таблица (LDT), создава­емая для каждой задачи отдельно;

- ИНДЕКС — адрес строки в дескрипторной таблице.

В соответствии с индексом и идентификатором из GLT или LDT считывается 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 при защищенном режиме работы микропроцессора. Для большей плотности размещения информации в оперативной памяти (уменьшения сегментированности, характерной для многопрограммного режима) часто используется 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 распределениемашинных 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 используются 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. 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 (кажущейся) 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.

Технология организации виртуальной памяти следующая. Физические оператив­ная и дисковая (привлеченная к задаче) память и виртуальная память разбивают­ся на страницы одинакового размера по 4 Кбайта. 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.1).

На рисунке 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.

Рис.1

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, то есть 1-мегабайтной области ОП между ОЗУ и ПЗУ и между функцио­нально ориентированной информацией (рис. 2).

Рис. 2

Основная память в соответствии с методами обращения и адресации делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающие друг друга области, имеющие общепринятые названия. В частности, обобщенно логическая структура основной памяти ПК общей емкостью 64 Мбайт представлена на рис. 3.

Рис. 3

Прежде всего, основная память компьютера делится на две логические области:

непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024К ячеек с адреса­ми от 0 до 1024К - 1, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов или в защищенном режиме работы микропроцессора.

Стандартной памятью (СМА — Conventional Memory Area) называется непо­средственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт.

Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 до 1024 Кбайт на­зывается верхней памятью (UMA — Upper Memory Area). Верхняя память заре­зервирована для памяти дисплея (видеопамяти) и постоянного запоминающего устройства. Однако обычно в верхней памяти остаются свободные участки - «окна», которые могут быть использованы при помощи программ управления памятью (драйверов) в качестве оперативной памяти общего назначения.

Расширенная память — это память с адресами 1024 Кбайт и выше. Имеется два основных способа доступа к этой памяти:

- по спецификацииXMS (эту память называют тогда ХМА — eXtended Memory Area);

- по спецификацииEMS (память называют ЕМ — Expanded Memory).

Доступ к расширенной памяти согласно спецификацииXMS (Extended Memory Specification) организуется при использовании специальных драйверов (например, ХММ — Extended Memory Manager) путем пересылки по мере необходимости от­дельных полей ХМА в свободные области верхней памяти (UMA). Эту память иногда называют дополнительной.

СпецификацияEMS (Expanded Memory Specification) является более ранней. Со­гласно этой спецификации доступ реализуется не путем пересылки, а лишь путем отображения по мере необходимости отдельных полей Expanded Memory в сво­бодные области верхней памяти. Отображение организуется путем динамическо­го замещения адресов полей ЕМА в свободных «окнах» UMA; в окне UMA при этом хранится не обрабатываемая информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к этой информации. Память, организуемая по спецификации EMS, носит название отображаемой, поэтому и сочетание слов Expanded Memory (ЕМ) часто переводят как отображаемая память (хотя термин Expanded почти идентичен термину Extended и более точно переводится как расширенный, увеличенный). Для организации отображаемой памяти необходимо воспользоваться драйвером EMM.EXE (Expanded Memory Manager). Отображаемая память медленная и по­этому она постепенно уступает место Extended Memory.

Расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ ОС. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков. Исключение составляет неболь­шая 64-килобайтная 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.EXE (High Memory Manager), например. НМА может использоваться для хранения любой информации, в том числе и программ пользователя. Возможность непосредственной адресации высокой памяти обусловлена особенностью сегмен­тной адресации ячеек ОП, ибо в этой концепции максимально возможный адрес ячейки памяти с непосредственной адресацией формируется из максимально воз­можного адреса сегмента FFFFF, то есть 1024² - 1 — верхняя граница непосред­ственно адресуемой верхней памяти, плюс максимально возможный адрес сме­шения в этом сегменте FFFF — получаем верхнюю границу непосредственно адресуемой высокой памяти.

Устройство внешней памяти (в литературе часто встречается и другая терминология, например, внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) или накопитель информации) – это любое запоминающее устройство, связанное с ПЭВМ и управляемое ею, но в конструктивном отношении выполненное отдельно. Чаще всего ВЗУ подключаются с помощью многожильных кабелей непосредственно к материнской плате персонального компьютера, но для некоторых типов ВЗУ предусмотрено подключение к параллельному порту, разъем которого расположен на задней стенке корпуса компьютера. Для управления режимами работы ВЗУ, а также обменом данными между ВЗУ и микропроцессором компьютера, используются контроллеры – своеобразные посредники между ВЗУ и ПЭВМ.

Устройства внешней памяти (накопители информации) предназначены для обеспечения долговременного хранения больших объемов данных. Наибольшее распространение в ПЭВМ получили накопители информации на магнитных дисках (НМД). Такие ВЗУ используют известный в технике звукозаписи принцип записи и допускают многократное считывание и запись новой информации на место ранее записанной. Большая емкость и малая стоимость хранения бита информации являются их основными преимуществами. Однако кроме них в персональных компьютерах все большее применение находят и другие технические средства долговременного хранения информации, например, накопители на оптических дисках, накопители на магнитной ленте и др.

Основными характеристиками ВЗУ являются:

емкость;

быстродействие;