Организация и архитектура памяти

Персональный компьютер - это совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для обработки информации. Он обычно содержит один основной процессор и, возможно, несколько сопроцессоров, имеет фиксированный состав и универсальное применение.

Архитектура - это множество ресурсов компьютера, доступных пользователю на логическом уровне, без детализации способов взаимодействия процессоров, устройств памяти, внешних устройств и программных средств.

Вычислительные возможности компьютера в основном определяются характеристиками ее памяти.

Память состоит из огромного числа элементов, каждый из которых может находиться в одном из двух состояний, кодируемых двоичной цифрой 0 или 1 (биты, кодирующие состояния элементов). Биты памяти группируются в более крупные единицы хранения информации, минимальной из которых является байт. Вне зависимости от модели компьютера длина байта информации фиксирована и составляет 8 бит (двоичных разрядов).

По своему функциональному назначению запоминающие устройства можно разделить на три крупных класса:

• регистровые внутренние запоминающие устройства;

• Кэш-память;

• основная память;

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Кэш (англ. cache, от фр. cacher «прятать», т.е. «скрытая» память) — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Предназначен Кэш для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа. Таким образом, Кэш выступает в роли буфера, сглаживающего различие при взаимодействии в быстродействии высокоскоростного и медленного (в сравнении с высокоскоростным) устройств. Наличие такого буфера позволяет уменьшить время простоев (состояние ожидания) более быстрого устройства. Состав Кэш и принципы функционирования представлены на рис. 1.

Рис.1. Принципы использования кэш-памяти

Кэш-контроллер управляет кэш-памятью: загружает в неё нужные данные из оперативной памяти и возвращает, когда нужно, модифицированные процессором данные в оперативную память. Когда процессор хочет прочесть (или записать) данные по какому-либо адресу оперативной памяти, он передает этот адрес в контроллер Кэш-памяти. Контроллер по некоторому алгоритму определяет, содержатся ли в кэш-памяти данные, соответствующие полученному от процессора адресу. Если данные найдены (это событие называется попаданием в кэш), то Кэш-контроллер выдает требуемые данные процессору (в случае чтения), либо перезаписывает их полученными от процессора данными (в случае записи). Если же данные не найдены (промах Кэша), то производится обращение к оперативной памяти, и процессор вынужден ждать. Замечание. Важно понимать, что кэш всегда «полон», так как оставлять часть кэш-памяти «пустой» было бы совершенно нерационально. Поэтому перед запуском приложения Кэш заранее заполняется, а новые данные попадают в кэш только путём вытеснения (замещения) каких-либо старых данных.

Регистровые запоминающие устройства входят в состав центрального процессора, служат для промежуточного хранения данных, адресной и управляющей информации. Эти ЗУ обладают наибольшим быстродействием и обычно невелики по объему. Совокупность регистров основного назначения (РОНов), образующих локальную память процессора, предназначена для повышения быстродействия процессора, поскольку загрузка в АЛУ операндов выполняемой команды из РОНов гораздо быстрее, чем из оперативной памяти.

К классу внешних запоминающих устройств (ВЗУ) относятся энергонезависимые устройства с памятью (магнитные и оптические диски, флеш-карты, магнитные ленты). Существенно то, что прямого доступа к ним центральный процессор не имеет. Прежде чем воспользоваться информацией, хранящейся на ВЗУ, она должна быть перенесена в оперативную память. ВЗУ служат для хранения больших объемов информации, используются для создания библиотек, архивов, баз данных.

Запоминающие устройства, входящие в состав основной памяти, составляют важнейший модуль любого компьютера, в них хранятся программы и данные, обрабатываемые центральным процессором. В составе основной памяти выделим оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Далее рассмотрим несколько типов запоминающих устройств, входящих в состав основной памяти компьютера.

1. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), другое название - запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ), или в английской терминологии RAM (Random Access Memory). Оперативные запоминающие устройства всех классов персональных компьютеров представляют собой энергозависимые ЗУПВ.

Оперативная память компьютера (ОЗУ) служит для хранения программ и данных текущих вычислений, в нее можно записать программы и данные или считать их. В область ОП загружаются специальные программы, обеспечивающие работу компьютера, например, программы операционной системы и программы пользователей. ОП должна иметь достаточно большой объем и высокое быстродействие, чтобы обеспечивать работой самое быстрое устройство компьютера - микропроцессор. Но быстрая электронная память (статическая) стоит очень дорого, поэтому в качестве оперативной памяти используют динамическую память. Каждый элемент динамической памяти реализован на одном транзисторе и представляет собой конденсатор, хранящий заряд, поэтому он гораздо дешевле элемента статической памяти, для реализации одного элемента статической памяти требуется 6 транзисторов. Для сохранения информации в динамической памяти (конденсатор со временем разряжается) приходится периодически ее перезаписывать. Процесс перезаписи данных, хранимых в памяти, называется регенерацией. Современные микросхемы динамической памяти имеют встроенные средства регенерации. Для ускорения процесса обмена данными с процессором вводится сравнительно небольшая быстрая кэш-память. Общая схема структуры и функционирования ОЗУ, изображена на рис 2.

Рис. 2. Общая схема структуры и функционирования ОЗУ

Двоичный код адреса по шине адреса поступает на дешифратор адреса и возбуждает линию, идущую к выбранной ячейке памяти. При операции чтения эта линия открывает вентили, обеспечивающие передачу значения, хранящегося в каждом разряде выбранной ячейки, в соответствующий разряд буферного регистра считывания. При записи в ячейку памяти направление потока разрядной информации меняется на противоположное.

Для пользователей (программистов) современная оперативная память компьютера представляет байтовую организацию, то есть адрес памяти является адресом (номером) ее соответствующего байта.

Очевидно, что размер байта, удобный для обработки символьной информации, крайне неэффективен при выполнении, например, арифметических операций. Поэтому в ОП можно логически выделить и более крупные хранилища (полуслово, слово, двойное слово), содержимое которых обрабатывают соответствующие машинные команды. Рис. 3. Память из 8-ми разрядных ячеек (слов)

Адресами полуслов, слов, и двойных слов является адрес левого байта, начиная с которого соответствующее хранилище располагается в памяти. Очевидно, что размер слова ОП равен размеру машинного слова.

2. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В английской терминологии такого рода память называют ROM (Read Only Memory) - память, работающая только на считывание. Информация, находящаяся в такой памяти, заранее закладывается при ее изготовлении («зашивается») и при отключении питания не разрушается.

В постоянной памяти хранятся программы, обеспечивающие работу компьютера после его включения в сеть (BIOS), обеспечивающие проверку работоспособности компьютера. Здесь же хранятся данные, которые не изменяются в процессе эксплуатации. Постоянная память используется только в режиме чтения информации. Система BIOS связана с аббревиатурой CMOS. Это название дано постоянной перепрограммируемой памяти по лежащей в основе ее изготовления технологии CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor. В системе BIOS имеется программа Setup, которая может изменять содержимое CMOS памяти в зависимости от конфигурации компьютера. В микросхеме CMOS реализованы также часы реального времени RTS (Rial Time Clock). Они работают и при выключенном из сети компьютере от специальной батарейки. Часы позволяют следить за текущим временем, пользователь компьютера всегда может узнать время, число, месяц, год, воспользоваться программами, которые ограничат время использования компьютера для игр детьми. Компьютер может напомнить его хозяину о необходимости предпринять заранее запланированные на определенное время действия, включить в определенное время электронную технику, или выключить ее и т.д. зависимости от конфигурации компьютера. В микросхеме CMOS реализованы также часы реального времени RTS (Rial Time Clock). Они работают и при выключенном из сети компьютере от специальной батарейки. Часы позволяют следить за текущим временем, пользователь компьютера всегда может узнать время, число, месяц, год, воспользоваться программами, которые ограничат время использования компьютера для игр детьми. Компьютер может напомнить его хозяину о необходимости предпринять заранее запланированные на определенное время действия, включить в определенное время электронную технику, или выключить ее и т.д.

Рис. 4. Упрощенная структура ПЗУ