Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2.1. Процессор
Центральным устройством, во многом определяющим воз- можности компьютера, является процессор.
Процессор – это блок, предназначенный для автоматического
считывания команд программы, их расшифровки и выпол- нения.
Вид микропроцессора со стороны выводов
Название «процессор» происходит от английского глагола «to process» – обрабатывать. Иными словами, процессор – это блок компьютера, который автоматически обрабатывает информацию по заданной программе.24
Процессор, изготовленный в виде большой или сверхбольшой интегральной схемы
(БИС, СБИС), называется микропроцессором.
Любой процессор обязательно включает в себя две важные части, каждая из которых решает свои задачи:
арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее обработку данных, и устройство управления (УУ), которое управляет выполнением программы и обес- печивает согласованную работу всех узлов компьютера.
2.1.1. Арифметико-логическое устройство
В простейшем случае АЛУ состоит из двух регистров, сумматора и схем управления операциями (об устройстве сумматора и регистров можно прочитать в главе 3). При вы- полнении операций в регистры помещаются исходные данные, а в сумматоре они склады- ваются.
Как показано в главе 4, все остальные арифметические операции могут быть тем или иным способом сведены к сложению. Тем не менее, нередко для ускорения умножения и деления инженеры идут на усложнение АЛУ. Например, в процессорах широко использу-
ется метод умножения чисел с использованием таблиц, в которых записаны готовые про- изведения небольших чисел.
АЛУ не только выполняет вычисления, но и анализирует полученный результат. Обычно проверяется два свойства: равенство нулю (совпадение всех разрядов сумматора с нулем) и отрицательность результата (определяется проверкой знакового разряда – см. главу 4). Результаты этого анализа заносятся в определенные биты регистра состояния процессора. Используя эти значения, можно сделать вывод об истинности или ложности условий R = 0, R ≠ 0, R > 0, R < 0, R ≥ 0, R ≤ 0, где R обозначает результат операции. Это позволяет организовать ветвления в программе, например, для неотрицательного числа вычислять квадратный корень, а иначе – выдать сообщение об ошибке.
Как правило, АЛУ работает только с целыми числами. Операции с вещественными числами выполняются в математическом сопроцессоре, который встроен внутрь совре-
менных микропроцессоров.
2.1.2. Устройство управления
Главная задача устройства управления – обеспечить автоматическое выполнение по- следовательности команд программы в соответствии с основным алгоритмом работы про- цессора (см. 5.2.3). УУ выполняет следующие действия:
извлечение из памяти очередной команды;
расшифровка команды, определение необходимых действий; определение адресов ячеек памяти, где находятся исходные данные; занесение в АЛУ исходных данных;
управление выполнением операции;
сохранение результата.
24 Не следует путать процессор как аппаратный блок с мощными программами обработки, которые также часто называют процессорами (например, текстовый или табличный процессор).
Таким образом, выполнение каждой машинной команды состоит из элементарных дейст- вий, которые называются микрокомандами.
В зависимости от сложности, машинная команда может быть выполнена за различ- ное число микрокоманд. Например, пересылка числа из одного внутреннего регистра микропроцессора требует значительно меньшего числа действий, чем умножение. Коман- ды, работающие с оперативной памятью, выполняются дольше, чем команды, работаю- щие только с регистрами процессора.
Каждая из микрокоманд машинной инструкции запускается с помощью управляю- щего импульса. Опорную последовательность импульсов для этих целей УУ получает от генератора тактовых импульсов. Интервал между двумя соседними импульсами называ-
ется тактом.
Если две микрокоманды полностью независимы друг от друга, то их можно выпол- нить одновременно (за один такт), даже если они принадлежат к разным командам про- граммы. Такая оптимизация широко применяется в современных процессорах для органи- зации конвейерной обработки ради увеличения быстродействия.
2.1.3. Регистры процессора
Кроме регистров АЛУ и УУ, в микропроцессоре есть много других регистров. Большинство из них – внутренние, они недоступны программисту. Однако есть несколько регистров, специально предназначенных для использования программным обеспечением. Их часто называют регистрами общего назначения (РОН), подчеркивая тем самым уни- версальность их функций. В РОН могут храниться не только сами данные (числа, коды символов и т.д.), но и адреса ячеек памяти, где эти данные находятся. Например, если тре- буется обработать последовательные ячейки памяти, то к содержимому такого регистра нужно каждый раз прибавлять размер ячейки.
Количество регистров и их устройство в разных процессорах отличается друг от друга. Например, в процессорах семейства Intel имеется небольшой набор 64-разрядных
РОН. Ради обеспечения программной совместимости со старыми (32- и 16-разрядными)
процессорами, эти РОН имеют вложенную структуру, напоминающую матрешку:
63 32 31 16 15 8 7 0
AH AL
RAX
EAX AX
На рисунке показана структура 64-разрядного регистра RAX. Его младшие 32 бита (с нулевого по 31-й) образуют регистр EAX для 32-разрядных вычислений. К младшим 16 битам EAX (0-15), в свою очередь, можно также обращаться как к самостоятельному ре- гистру AX. Наконец, биты 0-7 и 8-15 образуют два 8-разрядных регистра AH и AL. Отчет- ливо видно, что наращивание разрядности процессоров семейства Intel происходило по- степенно. Такая структура регистров обеспечивает совместимость с предыдущими моде- лями и позволяет процессору легко обрабатывать 8-, 16-, 32- и 64-разрядные данные.
Кроме рассмотренного выше регистра RAX, в процессорах Intel имеются также ана- логичным образом устроенные регистры RBX, RCX и RDX, а также некоторые другие. Это регистры неравноценны, по справочникам можно определить, как и с каким регист- ром работает та или иная команда.
2.1.4. Основные характеристики процессора
Как вы уже знаете, для организации выполнения команд в компьютере есть генера- тор импульсов, каждый из которых «запускает» очередной такт машинной команды. Оче- видно, что чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быстрее будет выполняться операция. Следовательно, тактовая частота, измеряемая количеством тактовых им- пульсов в секунду, может быть характеристикой быстродействия процессора.
Тактовая частота – количество тактовых импульсов за одну секунду.
В настоящее время тактовая частота измеряется в гигагерцах, т.е. в миллиардах (109) импульсов за секунду. Эту частоту нельзя установить сколь угодно высокой, поскольку процессор может просто не успеть выполнить действие очередного такта до прихода сле- дующего импульса.
Нужно понимать, что использовать тактовую частоту для сравнения быстродействия процессоров можно только в том случае, если оба процессора устроены одинаково. На- пример, если какая-то команда в одном из процессоров выполняется за два такта, а в дру- гом – за три, то при равенстве частот первый будет работать в полтора раза быстрее.
Приближенно можно считать, что процессор выполняет за один такт одну простую команду (типа пересылки регистр-регистр). Тогда при тактовой частоте 4 ГГц за 1 сек вы- полняется около 4 миллиардов таких операций. Это примерная оценка, потому что при конвейерном методе скорость выполнения команд сильно зависит от множества факторов, например, от порядка следования команд в программе.
Другая характеристика, позволяющая судить о производительности процессора, –
это его разрядность.
Разрядность – это максимальное количество двоичных разрядов, которые процессор способен обрабатывать за одну команду.
Чаще всего разрядность определяют как размер регистров процессора в битах.
Однако, важны также разрядности шины данных и шины адреса, которые поддержи- вает процессор. Разрядность шины данных – это максимальное количество бит, которое может быть считано за одно обращение к памяти. Разрядность шины адреса – это количе- ство адресных линий; она определяет максимальный объем памяти, который способен поддерживать процессор. Этот объем памяти часто называют величиной адресного пространства, он вычисляется по формуле 2R , где R – количество разрядов шины адреса. Все три разрядности могут не совпадать. Так, у процессора Pentium II были 32-
разрядные регистры, разрядность шины данных – 64 бита, а шины адреса – 36 бит.
2.1.5. Система команд процессора
Каждая модель процессора имеет собственную систему команд. Поэтому, как прави- ло, процессоры могут выполнять только программы, написанные специально для них. Тем не менее, обычно новые процессоры одной и той же серии (например, процессоры Intel) поддерживают все команды предыдущих моделей.
В системах команд разных процессоров есть много общего. Они обязательно вклю- чают следующие группы машинных команд:
команды передачи (копирования) данных;
арифметические операции;
логические операции, например, «НЕ», «И», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ»;
команды ввода и вывода;
команды переходов.
Существует два основных подхода к построению системы команд процессора:
процессоры с полным набором команд (англ.CISC=Complex Instruction Set Comput- er);
процессоры с сокращенным набором команд (англ. RISC = Reduced Instruction Set
Computer).
CISC-процессоры содержат широкий набор разнообразных команд. При этом на скорость их выполнения обращают меньшее внимание, главное – удобство программиро- вания. При разработке RISC-процессоров набор команд, наоборот, весьма ограничен, но это позволяет значительно ускорить их выполнение. Многие современные процессоры (например, процессоры Intel) – гибридные, у них полный набор команд, которые выпол- няются RISC-ядром. Это позволяет совместить достоинства обоих подходов.
Почти все инструкции, входящие в систему команд компьютера, состоят из двух частей – операционной и адресной. Операционная часть – код операции – указывает, какое действие необходимо выполнить. Адресная часть описывает, где хранятся исходные дан- ные и куда поместить результат. Часто исходные данные для команды (содержимое реги- стра или ячейки памяти, константа) называют операндами.
Рассмотрим для примера одну из наиболее простых команд процессора Intel, которая состоит из четырех байт и имеет шестнадцатеричный код 81 C2 01 01. Она может быть разбита на три неодинаковые по длине части:
код операции 81C обозначает сложению регистра с константой; первый операнд 2 – это условное обозначение регистра DX; константа 0101, которая добавляется к регистру.
Отметим, что система команд процессоров Intel очень сложна и плохо подходит для изу-
чения в школьном курсе информатики.
? Контрольные вопросы
1. Для чего нужен процессор? Почему он так называется?
2. Какие узлы входят в состав процессора? Зачем нужны АЛУ и УУ?
3. Как выполняется АЛУ в простейшем случае? Как в АЛУ используется сумматор?
4. Почему удобно, что АЛУ автоматически сравнивает результат действия с нулем?
5. Подумайте, как с помощью логических операций с битами сумматора установить факт его равенства или неравенства нулю.
6. Для чего служит математический сопроцессор?
7. Какую роль играет УУ в автоматическом выполнении программ?
8. Как называется элементарное действие в машинной команде?
9. Зачем нужен генератор тактовых импульсов?
10. Что такое РОН? Для каких целей он может использоваться?
11. *Найдите информацию о регистрах процессора Intel. Постарайтесь разобраться в на- значении наиболее важных из них.
12. Что такое тактовая частота и как она влияет на быстродействие компьютера?
13. Тактовые частоты двух процессоров, изготовленных фирмами Intel и AMD равны.
Означает ли это, что их быстродействие одинаково?
14. *Объясните, как применение конвейера влияет на количество команд, выполняемых за один такт.
15. На что влияет разрядность процессора? Какие разновидности разрядности вы знае- те? Что характеризует каждая их них?
16. Какие группы операций входят в систему команд любого процессора?
17. Что такое RISC- и CISC-процессоры? Чем они отличаются?
18. Какие части можно выделить в команде процессора?
Задачи
1. Обозначим символом Z бит, определяющий факт равенства результата R нулю, а символом N – бит, фиксирующий отрицательность R:
Z=1 при R=0, и Z=0 в противном случае;
N=1 при R<0, и N=0 в противном случае.
Напишите логическое выражение, включающее значения N и Z, которое дает:
а) 1 при R≤0, и 0 в противном случае;
б) 1 при R>0, и 0 в противном случае.
2. Оцените, сколько миллиардов простых операций типа пересылки регистр-регистр может выполнить за 1 мин. процессор с тактовой частотой 1 ГГц.
3. Сопоставьте тактовую частоту процессора с максимальной частотой звуковых коле- баний, которые слышит человек. Что можно сказать о возможностях современного компьютера в обработке звуковой информации?
4. Какое максимальное десятичное целое число без знака можно поместить в 32-
разрядный регистр?
5. Сколько символов, закодированных в двухбайтной кодировке UNICODE, можно за- грузить одновременно в 64-разрядный регистр?
6. Процессор Pentium II имеет 36-разрядную шину адреса. Какой объем памяти он мо- жет адресовать?
7. Составить сравнительную таблицу технических характеристик процессоров, изготовленных фирмами Intel и AMD
2.2. Память
Как мы уже знаем, процессор способен выполнять программу, но ее команды хра- нятся в памяти. Таким образом, память – это другое устройство, без которого вычисли- тельный автомат не может быть построен. Кроме того, память одновременно используется (что не менее важно) и для хранения обрабатываемых данных.
Память – это устройство компьютера, которое используется для записи, хранения и вы- дачи по запросу команд программы и данных.
Существует большое количество видов памяти, которые различаются по устройству, организации, функциям и т.д. Обычно выделяют внутреннюю и внешнюю память. Терми- ны эти имеют историческое происхождение, связанное с конструкцией первых ЭВМ: одна часть памяти находилась внутри главного шкафа (в котором размещался процессор), а другая – вне его.
Современные компьютеры, конечно, выглядят совсем по-другому, из-за чего назва- ния утратили свою прежнюю наглядность. Тем не менее, деление памяти на два типа по- прежнему сохраняется. Различие между ними кроется, прежде всего, в назначении. Внут- ренняя память предназначена для хранения программ и данных, которые используются для задач, решаемых в данный момент. А внешняя память служит для того, чтобы сохра-
нить данные на длительный срок, пока они не потребуются, именно поэтому ее еще часто называют долговременной.
2.2.1. Внутренняя память
Внутренняя память – часть памяти компьютера, которая используется для хранения программ и данных во время решения задачи.
Часто ее называют основной памятью. В состав внутренней памяти входят ОЗУ и ПЗУ.
Внутренняя память строится в соответствии с базовыми принципами, описанными ранее в п.5.2. Основное отличие внутренней памяти от внешней – произвольный доступ к отдельным ячейкам памяти по их адресам (обращение к внешней памяти происходит ина- че, см. далее).
Информация, хранящаяся в ОЗУ, считается временной (оперативной), поэтому поль- зователь должен сам сохранять необходимые данные во внешней памяти.
Часто говорят, что при выключении питания информация в ОЗУ пропадает. Строго говоря, это не совсем правильно, поскольку существуют элементы памяти, способные со- хранять свое состояние даже после отключения питания. Однако при повторном включе- нии (или перезагрузке) компьютера программное обеспечение неспособно восстановить, где и какая информация находилась «в прошлый раз». Именно поэтому если при наборе текста перезагрузить компьютер, работу придется повторять заново.
Внутренней память может быть построена на основе самых разных технологий. Самые первые ЭВМ имели ОЗУ на электронно-лучевых трубках, причем их количество соответствовало разрядности памяти (каждый бит числа считывался из отдельной трубки). Затем появилась память на магнитных сер- дечниках. Намагниченное состояние сердечника со- ответствовало единичному состоянию бита, ненамаг-
Магнитное ОЗУ: слева – биты памяти, справа – устройство выборки нужного адреса
ниченное – нулевому. Заметим, что данные в магнит- ных ячейках памяти полностью сохранялась и после выключения питания. Наконец, развитие микроэлек- троники позволило изготовить компактную полупро- водниковую память, которая сейчас и применяется в ПК.
Модуль полупроводниковой памяти
Существуют два типа оперативной памяти, отличающиеся по технологии изготовле- ния – статическая и динамическая. Первая строится на триггерах (об устройстве триггера говорилось в главе 3), а вторая – на полупроводниковых конденсаторах. Конденсатор на- много проще и меньше триггера, так что на одном и том же кристалле можно сделать го- раздо больше запоминающих элементов динамического типа, чем статического. Поэтому динамическая память имеет большую емкость и меньшую стоимость, чем статическая. К сожалению, у нее есть очень существенный недостаток: она работает намного медленнее статической. Сейчас в персональных компьютерах используется динамическая оператив- ная память.
Что касается ПЗУ, то технологии их изготовления также постепенно совершенство- вались. Первоначально информация в ПЗУ заносилась только на заводе. Затем появились программируемые ПЗУ, которые потребитель мог заполнить сам, поместив «чистую» («пустую») микросхему в специальное устройство – программатор. В некоторых микро- схемах этого типа в качестве запоминающих элементов использовали тонкие токопрово-
дящие перемычки. Наличие перемычки означало единицу. Программатор мощными им- пульсами тока пережигал нужные перемычки, тем самым устанавливая биты в нулевое состояние25. Очевидно, что процесс записи информации таким способом был необрати- мым.
Позднее появились перепрограммируемые ПЗУ, в которых очистка информации сначала производилось ультрафиолетовыми лучами, а затем – с помощью электрических импульсов. Современ- ные перепрограммируемые ПЗУ используют флэш-память. Каж- дый элемент такой памяти изготовлен на основе особой разновид- ности транзисторов, так что это тоже полупроводниковая память. Изменить содержимое такого ПЗУ можно даже без программатора, запустив специальную программу.
Внутри компьютеров семейства IBM PC есть еще один осо-
Флэш-BIOS на плате компьютера
бый вид памяти – память конфигурации (CMOS-память). В ней хранятся разнообразные настройки аппаратного обеспечения, а также часы и календарь, благодаря которым ком- пьютер всегда знает текущую дату и время. Данные сохраняются благодаря питанию от небольшой батарейки. CMOS-память – это особая память, которая не входит в адресное пространство внутренней памяти. Поэтому к ней невозможно обратиться просто по адре- су, и в этом смысле она скорее похожа на внешнюю память. Для работы с памятью конфи- гурации в ПЗУ современного ПК предусмотрена специальная программа (она называется BIOS Setup), причем работать с ней можно только до загрузки операционной системы (при включении компьютера).
2.2.2. Внешняя память
Внешняя память – часть памяти компьютера, которая используется для долговременно- го хранения программ и данных.
Этот вид памяти позволяет повторно использовать программы и данные. Благодаря этому текст достаточно набрать один раз, а цифровые фотографии можно рассматривать в тече- ние многих лет.
К внешней памяти относятся разнообразные устройства хранения данных, начиная от накопителей на магнитных дисках и кончая современными внешними запоминающими устройствами на основе полупроводниковой флэш-памяти.
Любой тип внешней памяти состоит из некоторого носителя информации (например, диска или полупроводникового кристалла) и электронной схемы управления (контролле- ра).
Машинный носитель информации – это средство длительного хранения данных в компьютерном формате. Носитель может быть съемным (как в накопителях на оптических дисках), а может быть помещѐн внутрь неразборного устройства (жесткий магнитный диск – винчестер).
В переносных устройства внешней памяти, например, во внешних винчестерах и флэш-накопителях, носитель и схема управления объединены в единый блок. Такие уст- ройства подключаются к компьютеру снаружи через разъем.
Центральный процессор не может непосредственно обращаться к данным на носите- ле, он работает с ними через контроллер внешней памяти. На рисунке схематично показа- но, как читаются данные с внешнего носителя информации в ОЗУ26.
передача «задания» контроллеру ввод данных в ОЗУ
процессор ОЗУ
шина
процессор ОЗУ
шина
линия не задействована сигналы управления передача данных
К К
носитель
информации
носитель
информации
Для связи с контроллером процессор использует порты – регистры контроллера, к кото-
рым процессор может обратиться по номеру. Процессор передает контроллеру «задание» на передачу данных, и контроллер берет руководство процессом на себя. В это время цен- тральный процессор может параллельно выполнять программу дальше или решать другую задачу. Таким образом, выполнить чтение (и запись) данных из внешней памяти гораздо сложнее, чем из внутренней памяти.
Для внешней памяти характерны следующие черты:
обменом данными управляют контроллеры;
прежде чем процессор сможет непосредственно использовать программу или дан- ные, хранящиеся во внешней памяти, их нужно предварительно загрузить в ОЗУ;
данные располагается блоками (на дисках их принято называть секторами); блок данных читается и пишется как единое целое, что существенно ускоряет процедуру обмена; работать с частью блока невозможна.
В качестве внешней памяти используются са- мые разные носители. Первоначально программы и данные сохранялись на бумажных перфокартах и перфолентах. Подписанные обычной ручкой или ка- рандашом, они сортировались программистами вруч- ную. Затем произошел переход к магнитным носите-
лям: магнитным лентам, барабанам и дискам.
Перфокарта
На магнитных дисках биты данных хранятся в виде небольших намагниченных (или ненамагниченных) областей. Сектора размещаются на концентрических окружностях (имеющих общий центр), которые называются дорожками. Поскольку длина дорожки зависит от положения на диске, количество секторов на дорожках может быть неодинаковым. Доступ к секторам диска – произвольный, максимальная скорость достигается тогда, когда читаемые или записываемые сектора располагаются подряд.
25 Так сгорают плавкие предохранители в бытовой аппаратуре.
26 В действительности процесс обмена более сложен, в нѐм участвует еще и контроллер ПДП.
Управление такой сложной системой очень трудоемко – поэтому, как нам уже из- вестно из истории вычислительной техники, появление магнитных дисков вызвало созда- ние специального ПО для работы с ними – операционных систем (ОС). ОС берет на себя все технические детали, предоставляя пользователю работу с некоторыми наборами дан- ных – файлами. Таким образом, начиная с дисковых накопителей, наличие файловой сис- темы – это характерная черта внешней памяти, которая существенно отличает ее от внут- ренней.
Следующей технологией хранения информации стали оптические компакт-диски (англ. CD = Compact Disk). При записи данных (одним из способов) луч лазера «выжига- ет» на поверхности диска дорожку, в которой чередуются впадины и возвышения. При считывании также применяется луч лазера, только меньшей интенсивности, чтобы не раз- рушить данные. Для распознавания нулей и единиц используется различное отражение от перепадов глубины и ровной поверхности диска. В отличие от магнитных дисков, где ин-
формация хранится в виде на отдельных замкнутых дорожках, данные на оптическом дис- ке записываются вдоль непрерывной спирали, как на старых грампластинках27.
Сейчас широко используются оптические диски следующих поколений: DVD (англ. Digital Versatile Disk – цифровой многоцелевой диск, емкость до 17 Гбайт) и Blu-ray-диски (емкостью до 66 Гбайт). Они имеют тот же диаметр, что и CD-диски, но для повышения плотности записи используют лазер с меньшей длиной волны.
Были разработаны также комбинированные магнитооптические диски. Носителем информации в них служит магнитное вещество, которое при нагреве лазером ориентиру- ется в магнитном поле и меняет оптические свойства поверхности диска. После восста- новления нормальной температуры такие диски необычайно устойчивы к внешним воз- действиям. Тем не менее, они не получили распространения из-за высокой стоимости и малой скорости записи.
Отметим, что на всех видах дисков есть разметка на сектора, благодаря которой кон- троллер может быстро находить нужную информацию. Сами данные помещаются между
«заголовком» сектора и его завершающей записью.
Наконец, последнее достижение в области устройств внешней памяти – запомина- ющие устройства на базе флэш-памяти. В ней нет движущихся частей, а носителем ин- формации служит полупроводниковый кристалл. Данные во флэш-памяти обновляются только блоками, но для устройств внешней памяти это вполне естественно. Максимальное количество перезаписей данных для каждого блока хотя и велико, но все же ограничено. Поэтому встроенный контроллер при записи использует специальный алгоритм
для выбора свободных блоков, стараясь загружать сектора диска как можно более равномерно.
Кроме широко распространенных флэш-дисков («флэшек»), этот вид памяти используется в картах памяти для фотоаппаратов, плееров и сотовых телефонов, а также в твердотельных винчестерах (англ. SSD = Solid State
Disk). Напомним, что ПЗУ также может изготовляться на базе флэш-памяти.
Флэш-карта
2.2.3. Взаимодействие разных видов памяти
Итак, мы познакомились с разными видами внутренней и внешней памяти. Осталось разобраться, как они взаимодействуют между собой.
Иерархия памяти. Кэширование. Как следует из обсуждения в п.5.2.2, невозможно создать память, которая имела бы как большой объем, так и высокое быстродействие. По- этому используют многоуровневую (иерархическую) систему из нескольких типов памя- ти. Как правило, чем больший объем имеет память, тем медленнее она работает.
Самая быстрая (и очень небольшая) память – это регистры процессора. Гораздо больше по объему, но заметно медленнее, внутренняя память (ОЗУ и ПЗУ). Далее следует огромная, но еще более медленная внешняя память. Наконец, последний уровень – это данные, которые можно получить из компьютерных сетей.
объем
быстродействие, стоимость бита
ПРОЦЕССОР
регистры
кэш -
память
ОЗУ
внешняя память
(диски)
КОМПЬЮТЕР
компьютерные сети
Для редактирования файла с диска (внешняя память) программа обработки загружа-
ет его в ОЗУ (внутренняя память), а конкретные символы, с которыми в данные доли се- кунды работает процессор, «поднимаются» по иерархии выше – в регистры процессора.
Производительность компьютера в первую очередь зависит от «верхних» уровней памяти – процессорной памяти и ОЗУ. Быстродействие процессоров значительно выше, чем скорость работы ОЗУ, поэтому процессору приходится ждать, пока до него дойдут данные из оперативной памяти. Чтобы улучшить ситуацию, между процессором и ОЗУ добавляют еще один слой памяти, который называют кэш-памятью (от англ. cache – тай- ник, прятать).
Кэш-память – это память, ускоряющая работу другого (более медленного) типа памяти, за счѐт сохранения прочитанных данных на случай повторного обращения к ним.
Кэш-память – это статическая память, которая работает значительно быстрее дина- мического ОЗУ. В ней нет собственных адресов, она работает не по фон-неймановскому принципу адресности.
При чтении из ОЗУ процессор обращается к контроллеру кэш-памяти, который хра- нит список всех ячеек ОЗУ, копии которых находятся в кэше. Если требуемый адрес уже есть в этом списке, то запрашивать ОЗУ не нужно, и контроллер передает процессору зна- чение, связанное (ассоциированное) с этим адресом28. Такой принцип организации памяти называется ассоциативным.
Если нужных данных нет в кэш-памяти, они читаются из ОЗУ, но одновременно по- падают и в кэш – при следующем обращении их уже не нужно читать из ОЗУ.
процессор
контроллер
2-й раз
кэш-память
кэш-памяти 1-й раз
ОЗУ
Обычно в кэш-память заносится содержимое не только запрошенной ячейки, но и
ближайших к ней (эта стрелка на рисунке показана более толстой линией). Таким образом, в кэше хранятся копии часто используемых ячеек ОЗУ, и передача этих данных в процес- сор происходит быстрее.
В работе кэш-памяти есть две основные трудности. Во-первых, объем кэш намного меньше объема ОЗУ и он быстро заполняется – приходится заменять наиболее «ненуж- ные» (например, редко используемые) данные. Во-вторых, если считанные из кэш-памяти данные обрабатываются процессором и сохраняются в ОЗУ, нужно обновлять и содержи- мое кэша. Обе эти задачи решает контроллер кэш-памяти. Несмотря на трудности, кэши- рование во многих случаях повышает скорость выполнения программы в несколько раз.
Сама кэш-память также строится по многоуровневой схеме: в современных процес- сорах есть, по крайней мере, 2-3 уровня. Некоторые из них входят в состав процессора, а остальные выполнены в виде отдельных микросхем (поэтому на схеме многоуровневой памяти кэш только частично расположен внутри процессора). Кэш для программы и для данных изготовляется раздельно. Это удобно потому, что считываемую программу, в от- личие от данных, не принято изменять, поэтому кэш команд можно делать проще.
Подчеркнем, что термин «кэширование» в вычислительной технике имеет довольно широкий смысл: речь идет о сохранении информации в более быстродействующей памяти с целью повторного использования. Например, браузер кэширует файлы, полученные из Интернета, сохраняя их на винчестере в специальной папке. В накопителе на жестком диске также используется кэширование. Таким образом, кэш может быть организован как с помощью аппаратных средств (кэш процессора), так и программно (кэш браузера).
Виртуальная память. Пользователям хочется, чтобы программное обеспечение бы- ло интеллектуальным и дружественным, и чтобы в нем были предусмотрены все самые мелкие детали, которые им (пользователям) могут потребоваться. Программистам хочется написать программу с наименьшими затратами сил и времени, поэтому они широко ис- пользуют среды быстрой разработки программ (англ. RAD = Rapid Application Develop- ment). В результате программы все больше увеличиваются в размере. Кроме того, объем обрабатываемых данных постоянно растет. Поэтому компьютерам требуется все больше и больше памяти, особенно в многозадачном режиме, когда одновременно запускается сразу несколько программ.
Как же согласовать эти требования с ограниченным объемом ОЗУ? Современные операционные системы используют для этого идею виртуальной памяти. Предполагается, что компьютер обладает максимально допустимым объемом памяти, а реально установ- ленное ОЗУ – лишь некоторая часть этого пространства. Оставшаяся часть размещается в специальном системном файле или отдельном разделе жесткого диска. Если емкости ОЗУ не хватает для очередной задачи, система копирует «наименее нужную» (дольше всего не использовавшуюся) часть ОЗУ на диск, освобождая необходимый объем памяти. Когда, наоборот, потребуются данные с диска, они будут возвращены в освобожденное таким же образом место ОЗУ (и это совсем не обязательно будет то самое первоначальное место!).
При использовании виртуальной памяти выполнение программ замедляется, но зато они могут выполняться на компьютере с недостаточным объемом ОЗУ. В этом случае ус- тановка дополнительного ОЗУ может повысить быстродействие во много раз.
Использование виртуальной памяти еще раз подтверждает, что деление памяти на внутреннюю и внешнюю память – это искусственная мера. Она вызванная тем, что невоз- можно создать идеальную память, удовлетворяющую всем требованиям сразу.
2.2.4. Основные характеристики памяти
Для пользователя важны, прежде всего, объем памяти, ее быстродействие и стоимость.
Информационная емкость – это максимально возможный объем данных, который мо- жет сохранить данное устройство памяти.
Емкость памяти измеряется в тех же самых единицах, что и объем информации, т.е. в битах, байтах и производных единицах (чаще всего – в мегабайтах или гигабайтах).
Для дисков часто говорят о форматированной и неформатированной емкости. Первая величина – это объем «полезной» памяти, а вторая включает еще и ту область диска, которую занимает служебная разметка.
Для оценки быстродействия памяти используют несколько величин. Любая операция обмена данными включает не только саму передачу данных, но и подготовительную часть. Это может быть, например, поиск нужного сектора диска или установка адреса внутри микросхемы ОЗУ. Время подготовки соизмеримо со временем передачи, так что пренебрегать им нельзя. Общее время обмена данными от начала подготовки до окончания передачи называют временем доступа.
Время доступа – интервал времени от момента посылки запроса информации до момента получения результата на шине данных.
При измерении этой величины обычно рассматривают самый сложный случай, когда данные считываются или записываются в случайных местах памяти. На практике байты или сектора часто читаются по порядку, поэтому время ввода или вывода уменьшается.
Для ОЗУ время доступа измеряется в наносекундах (1 нс = 10-9 с), а для винчестеров – в миллисекундах (1 мс = 10-3 с). Такая разница связана с тем, что дисковод должен сначала переместить считывающую головку в нужное положение.
Поскольку устройства внешней памяти работают с целыми блоками данных, для их характеристики требуется какой-то дополнительный показатель.
Средняя скорость передачи данных – это количество передаваемых за единицу времени данных после непосредственного начала операции чтения (т.е. без учета подготовительной стадии).
Эта характеристика обычно измеряется в мегабайтах в секунду (Мбайт/с).
Для оценки стоимости памяти используют отношение стоимости модуля памяти к его информационной емкости. Часто говорят о стоимости одного бита или стоимости одного гигабайта.
Для дисковых накопителей часто указывают частоту вращения (в оборотах в минуту). Чем быстрее вращается диск, тем выше может быть скорость считывания и записи.
? Контрольные вопросы
1. Зачем в компьютере нужна память?
2. С какой целью память делится на внутреннюю и внешнюю?
3. Верно ли, что внешняя память располагается вне корпуса компьютера? Приведите примеры.
4. Назовите все виды компьютерной памяти, которые вы знаете. Зачем они используются? Какими свойствами обладают?
5. К каким видам памяти применим принцип адресности фон Неймана?
6. Что означает термин «произвольный доступ к памяти»?
7. Зачем нужно ПЗУ в компьютере? Можно ли при необходимости изменить его содержимое на домашнем компьютере?
8. Что такое носитель информации? Какие носители вы можете назвать?
9. Какими носителями внешней памяти вы пользовались? Каков их объем и какую примерно его часть вы использовали?
10. Перечислите все известные вам виды дисков.
11. Что такое сектор диска?
12. Можно ли считать с диска отдельно взятый байт? Как его все-таки получить?
13. Какую роль играет контроллер при считывании данных с диска?
14. Почему любую программу перед выполнением требуется загрузить в оперативную память?
15. Что такое флэш-память, и в каких запоминающих устройствах она используется?
16. Какие разновидности полупроводникового ОЗУ существуют? Что служит в них запоминающим элементом? Каковы свойства названных вами типов ОЗУ?
17. Для чего создана кэш-память, как она работает и как повышает производительность компьютера?
18. Может ли программа обращаться к ячейкам кэш-памяти? Подумайте, относится ли кэш-память к архитектуре компьютера? Почему?
19. *Почему кэш называют ассоциативной памятью? Сравните с человеческой памятью, которую тоже часто называют ассоциативной.
20. Кэширование – это аппаратный или программный прием? Приведите примеры.
21. Перечислите все известные вам уровни иерархии компьютерной памяти и кратко охарактеризуйте их. Как меняются объем и быстродействие памяти при переходе на другой уровень иерархии (вверх или вниз)?
22. Почему компьютерам требуются все большие объемы памяти?
23. Как работает механизм виртуальной памяти?
24. *Чем ограничен объем виртуальной памяти?
25. Какие основные характеристики используются для памяти? В каких единицах они измеряются?
26. Какая характеристика используется только для внешней памяти?
Задачи
1. Определите информационный объем каждого вида памяти в вашем домашнем компьютере (ОЗУ, кэш-память, жесткий диск, примерный суммарный объем CD-дисков с данными и т.п.). Оцените отношение объемов этих уровней памяти.
2. Сравните приведенные в тексте данные о времени доступа для ОЗУ и дисковых накопителей: на сколько порядков они различаются?
3. Пусть емкость жесткого диска составляет 137 438 953 472 байт. Пользуясь калькулятором, переведите этот объем в гигабайты по правилам, принятым в информатике. Сравните ответ с тем числом, которое получится, если коэффициенты при переводе принять равными 1000 (так делают, например, в физике: в 1 кг ровно 1000 г!). Какие конфликты в связи с этим могут возникнуть (и реально возникали!) у потребителей и фирм-изготовителей жестких дисков?