Организация памяти. Организация систем адресации и команд

Содержание
 
1.       Организацияпамяти.
2.       Организация системадресации и команд
3.       Заключение
4.       Списокиспользованной литературы

Организацияпамяти
 
Системнаяпамять.Обычнопод системной понимают лишь оперативную память. На са­мом делеработоспособность всей компьютерной системы зависит от характеристик подсистемыпамяти в целом. Подсистема памяти охватывает:
оперативную память как таковую;
кэш-память первого уровня, расположенную в ядре МП;
кэш-память второго уровня (в некоторых конфигурациях онавыступает как кэш третьего уровня), размещаемую на СП, на картридже МП или вего ядре;
контроллер памяти;
шины данных и команд, объединяющие все элементы подсистемы вединое целое.
Системная память подразделяется на два типа — с динамическойи статической выборкой. В первом случае значение бита информации в ячейке определяетсяналичием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе, управляемомодним—двумя транзисторами. В статичес­кой памяти применены специальные элементы— триггеры, реализован­ные на 4-6 транзисторах. Естественно, что из-занеобходимости ожида­ния накопления (стекания) заряда на конденсаторебыстродействие DRAM ниже. Однако благодаря большему числутранзисторов на ячей­ку, память SRAM существеннодороже. Обычно модули DRAМ приме­няют в оперативной ивидеопамяти, а модули SRAМ — в качестве быс­трых буферныхэлементов в процессорах, на СП, в контроллерах дис­ков, CD-RОМ ипр.
Статическая память. Ячейкой в статической памяти является триггер — логическийэле­мент с двумя устойчивыми достояниями, в любом из которых он сохра­няется дотех пор, пока подается питание. Время срабатывания триггера составляет всовременных микросхемах единицы наносекунд. Однако плотность компоновки ячеек SRAM существенно ниже, чем в микросхе­мах DRAM, а стоимость производства выше, поэтому статическая па­мятьприменяется лишь в наиболее ответственных компонентах.
Всовременных системах обычно используется конвейерный режим с пакетным способомпередачи данных (Pipelined Burst Cache), организо­ванный на микросхемах статической памяти с синхронным доступом.
Асинхроннаядинамическая память (DRAM).Асинхронныйинтерфейс работы динамической памяти предусматри­вает наличие отдельногоустройства в контроллере памяти для генера­ции управляющих сигналов. Дляопераций чтения/записи определяется продолжительность, зависящая от технологииизготовления микросхе­мы, ширины шины данных, наличия буфера и другихпараметров. Каждый цикл операции чтения и записи ячеек памяти может иметьпродолжительность, отличную от других циклов. Никакая последую­щая операция неможет начаться до сигнала об окончании предыдущей. Для генерации необходимыхимпульсов контроллер асинхронной памя­ти имеет делитель, вырабатывающий сигналынеобходимой частоты для каждой операции внутри цикла.
Синхроннаядинамическая память (SDRAM).Вэтом случаевсе команды и обмен данными по шине памяти прохо­дят синхронно с тактовымиимпульсами системной шины, поэтому все циклы одной операции имеют одинаковуюпродолжительность.
Ячейки вдинамической памяти образуют матрицу, состоящую из строк и столбцов. Присчитывании данных содержимое одной строки целиком переносится в буфер,реализованный на элементах статичес­кой памяти. После этого из строкисчитывается значение (0 или 1) нуж­ной ячейки, и содержимое буфера вновьзаписывается в прежнюю стро­ку динамической памяти. Такие переносы данныхосуществляются пу­тем изменения состояния конденсаторов ячеек, то естьпроисходит про­цесс заряда (разряда, если конденсатор был заряжен). Так какконден­саторы чрезвычайно малы, высока вероятность непроизвольного изме­ненияих состояния из-за паразитных утечек и наводок.
Дляисключения утраты данных проводятся циклы регенерации с определенной частотой,которые обычно инициализируются специали­зированными микросхемами. За один тактмикропроцессора память может регенерироваться несколько раз.
Безучастия МП информация из памяти может считываться блоками устройством прямогодоступа к памяти DMA — Direct Memory Access. При необходимости оно посылает запрос, содержащий адрес и размер блокаданных, а также управляющие сигналы. Так как доступ к памяти по каналам DMA одновременно могут иметь несколькоустройств (на­пример, процессор, видеокарта с интерфейсом AGP, контроллер шины PCI, HDD), образуется очередь запросов, хотя каждому потребителюресурсов памяти требуются собственные данные, часто расположенные не только вразных микросхемах, но и в разных банках памяти.
ОЗУ(англоязычное название RAM, Random-Access Memory — па­мять с произвольной выборкой) хранит выполняемыепрограммы и данные, непосредственно участвующие в операциях. Среднее времядоступа к ее ячейкам составляет около 10 наносекунд (10~9 с). Насовременных ПК объем ОЗУ находится в пределах 128-4096 Мбайт. От объёма ОЗУзависит не только возможность работы с ресурсоём­кими программами, но и егопроизводительность, поскольку при нехватке памяти в качестве её логическогорасширения используется жесткий диск, время доступа к которому значительнобольше. На производи­тельность ПК влияют также быстродействие ОЗУ ииспользуемый спо­соб обмена данными между микропроцессором и памятью.
ОЗУреализуется на микросхемах DRAM (Dynamic RAМ —динами­ческая память с произвольной выборкой), характеризующихся по срав­нениюс другими разновидностями памяти низкой стоимостью и высо­кой удельнойёмкостью, но большим энергопотреблением и меньшим быстродействием. Каждый информационныйбит (0 или 1) в DRAM хра­нится в виде заряда конденсатора.Из-за токов утечки этот заряд необ­ходимо с определённой периодичностьюобновлять. Регенерация содер­жимого памяти требует дополнительного времени, азапись информации во время регенерации в память не допускается.
ВидеоадаптерПК позволяет монитору взаимодействовать с процес­сором. Поэтому видеоадаптердолжен иметь специальную память (ви­деопамять), в которую процессор записываетизображение в периоды относительно небольшой загруженности. А уже затемвидеоадаптер, независимо от процессора, может выводить содержимое видеопамятина экран. В современных условиях минимальным объёмом видеопамяти следуетсчитать 32 Мбайт, приемлемым — 128 Мбайт, комфортным — 256 Мбайт. Ввиду большихобъёмов видеоинформации видеоадаптеры, как правило, подключаются к материнскойплате через специализиро­ванные шины с наибольшей пропускной способностью.
Энергонезависимаяпамять CMOS.Выше мы отметили, что работа такихстандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами,входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всемивозможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибкихдисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительнойсистемы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы,входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужныепараметры. По очевидным причи­нам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, нив постоянном запоминающем устройстве. Специально для этого на материнской платеесть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовленияназываемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимоене стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, чтоданные в нее можно заносить и изме­нять самостоятельно, в соответствии с тем,какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянноподпитывается от небольшой батарейки, располо­женной на материнской плате.Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микро­схема не теряла данные, дажеесли компьютер не будут включать несколько лет.
Вмикросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, опроцессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, чтокомпьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии),тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (иизменяются) в CMOS. Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе обо­рудования компьютера измикросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, ав случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам,которые там записаны.
МикросхемаПЗУ и система BIOS. В момент включения компьютера в егооперативной памяти нет ничего — ни дан­ных, ни программ, поскольку оперативнаяпамять не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды,но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтомусразу после включения на адресной шине процессора выставляется старто­выйадрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково).Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далееначинает работать по программам. Этот исходный адрес не может указывать наоперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой типпамяти — постоянное запоминающее устрой­ство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способнадлительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы,находящиеся в ПЗУ, называют «заши­тыми» — их записывают туда на этапеизготовления микросхемы. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовуюсистему ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверитьсостав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие склавиатурой, монитором, жестким диском и диско­водом гибких дисков. Программы,входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения,сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощьюклавиатуры. Модуль BIOS находится в микросхемеэнергонезависимой памяти (CMOS'-памяти).В CMOS'-памяти записана конфигурацияаппаратных средств компьютера и некоторая другая информация. Она питается отнебольшой батареи, и поэтому ее содержимое не стирается даже после выключенияпитания компьютера. Если системная плата содержит встро­енный контроллернакопителей на жестких дисках, на ней также распо­лагается разъем дляподключения индикатора жесткого диска. Этот индикатор светится в моментобращения к жестким дискам.
Обменданными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен сдругими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы умень­шитьколичество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буфернуюобласть — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память».Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и толькоесли там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременнои в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процентпопаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтомувысокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.
Нередкокэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется втом же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десят­ков Кбайт.Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле,что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш­-память первогои второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской платевблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает онана частоте материнской платы.
 
2.Организация систем адресации и команд
 
Процессор— основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления.Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки опе­ративнойпамяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изме­няться.Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отме­тить, чтоданные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а каккоманды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регист­ровпроцессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способнымодифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных вразные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом иосновано исполнение программ.
Состальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью,процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основ­ныхшин три: шина данных, адресная шина и командная шина.
Адреснаяшина.Упроцессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распростра­нены в персональныхкомпьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельныхлиний. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет,говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комби­нация из 32 нулейи единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативнойпамяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в одиниз своих регистров.
Шинаданных. По этойшине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессораи обратно. В компьютерах, собранных на базе про­цессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.
Шинакоманд. Для того чтобыпроцессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, чтоследует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти командыпоступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, гдехранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тожепредставлены в виде байтов. Самые простые команды укла­дываются в один байт,однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинствесовременных процессоров шина команд 32-разрядная (напри­мер, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже128-разрядные.
Системакоманд процессора. Впроцессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, вполе оперативной памяти, а также данные, находя­щиеся во внешних портах процессора.Часть данных он интерпретирует непосред­ственно как данные, часть данных — какадресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд,которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую системукоманд процессора. Процессоры, относя­щиеся к одному семейству, имеютодинаковые или близкие системы команд. Про­цессоры, относящиеся к разнымсемействам, различаются по системе команд и не взаимозаменяемы.
Процессорыс расширенной и сокращенной системой команд.Чем шире набор системных командпроцессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формаль­ная запись команды(в байтах), тем выше средняя продолжительность исполне­ния одной команды,измеренная в тактах работы процессора. Так, например, сис­тема команд процессоровIntel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различныхкоманд. Такие процессоры называют процессорами с расши­ренной системой команд —CISС-процессорами (CISC — Complex Instruction Set Computing).
Впротивоположность CISC-процессорам всередине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC — ReducedInstruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системенамного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом,программы, состоя­щие из простейших команд, выполняются этими процессорамимного быстрее. Обо­ротная сторона сокращенного набора команд состоит в том, чтосложные операции приходится эмулировать далеко не эффективнойпоследовательностью простейших команд сокращенного набора.
Врезультате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоровсложилось следующее распределение их сфер применения:
•  CISC-процессоры используют вуниверсальных вычислительных системах;
•  RISC-процессоры используют в специализированныхвычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнениеединообразных операций.
Для персональных компьютеров платформы IBM PC долгое время выпускались только CISC-процессоры, к которым относятся и все процессорысемейства Intel Pentium. Однако в последнее время компания AMD приступила к выпуску про­цессоровсемейства AMD-K6, в основе которых лежит внутреннее ядро, выпол­ненное по RISC-архитектуре, и внешняя структура,выполненная по архитектуре CISC. Таким образом, сегодня появилисьпроцессоры, совместимые по системе команд с процессор
Заключение
 
Системная память подразделяется на два типа — с динамическойи статической выборкой, динамическая в свою очередь на синхронную иасинхронную.
ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) — па­мять спроизвольной выборкой, она хранит выполняемые программы и данные,непосредственно участвующие в операциях. От объёма ОЗУ зависит не тольковозможность работы с ресурсоём­кими программами, но и производительность ПК.
ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – память, которая длительноевремя хранит информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиесяв ПЗУ, называют «заши­тыми» — их записывают туда на этапе изготовлениямикросхемы. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую системуввода-вывода (BIOS).
Для работыс другим оборудованием необходима «энергонезависимая память» (CMOS). От оперативной памяти она отличается тем, что еесодержимое не стирается во время выключения ком­пьютера, а от ПЗУ онаотличается тем, что данные в нее можно заносить и изме­нять самостоятельно, всоответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.
Для тогочтобы умень­шить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессорасоздают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы«сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращаетсяв кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение воперативную память.
Видеоадаптер имеет специальную память (видеопамять), вкоторую процессор записывает изображение в периоды относительно небольшойзагруженности. А уже затем видеоадаптер, независимо от процессора, выводитсодержимое видеопамяти на экран.
Процессор— основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления.Конструктивно процессор состоит из ячеек, данные в них могут не толькохраниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Данные,попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды,управляющие обработкой данных в других регистрах. С остальными устройствамикомпьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связаннесколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шинаданных, адресная шина и командная шина.
Адреснаяшина состоит из параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение накакой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица илиноль. Комбинация из нулей и единиц образует разрядный адрес, указывающий наодну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор длякопирования данных из ячейки в один из своих регистров.
Для тогочтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать,что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Этикоманды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, из областей, гдехранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. В процессе работыпроцессор часть данных интерпретирует непосредственно как данные, часть данных— как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможныхкоманд, которые может выполнить процессор над данными, образует систему командпроцессора.

Список использованной литературы
1.        Гуда А.Н.,Бутакова М.А., Нечитайло Н.М., Чернов А.В. Информатитка. Общий курс: Учебник /Под ред. академика РАН В.И. Колесникова. – М.: Издательско-торговая корпорация«Дашков и К». Ростов н / Д: Наука – Пресс, 2008. – 400с.
2.        Информатика:Базовый курс: / О.А. Акулов, Н.В.Медведев. 2-е изд., испр. и доп. – М.: Омега –Л, 2005.- 552с.
3.        Информатика:Учебник. – 3-е перераб. изд. / Под ред. Н.В. Макаровой. – М.: Финансы истатистика, 2002. – 768с.: ил.
4.        Информатика.Базовый курс / Симонович С.В. и др. – Спб: Издательство «Питер», 2000. – 640с.:ил.