Учитель информатики

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Курс Информатика

Архитектура памяти ЭВМ

• Любая сложная цифровая система (ЭВМ) с точки зрения ее логической структуры состоит как минимум из 2-х компонентов:

• блока вычислений (центрального процессора) блока памяти.
• блока вычислений (центрального процессора)
• блока памяти.

Память - memory - способность устройства обеспечивать хранение информации. Хранение осуществляется в запоминающих устройствах (ЗУ) .

• В зависимости от характера использования, выделяют

• кэш-память, оперативную память внешнюю память (память, предоставляемую буферами).
• кэш-память,
• оперативную память
• внешнюю память (память, предоставляемую буферами).

Память

ВЗУ

Кеш-память

ОЗУ

Внутренняя память (оперативное запоминающее устройство - ОЗУ)

• Строится на магнитных. сердечниках или на полу-проводниковых интегральных схемах .
• В ОЗУ размещается информация, которая необходима в данный момент для управления работой машины, т.е. программа, и данные, необходимые для работы.
• Между ячейками памяти и центральным процессором предусмотрен прямой обмен сообщениями. Поэтому ОЗУ часто называют память с прямым доступом .
• ОЗУ - RAM (Random-Access Memory - ЗУ с произвольной выборкой) .

Внешняя память - ВЗУ

• Большая часть информации хранится вне ЭВМ, во внешних ЗУ большой емкости (перфокарты, перфоленты, магнитные ленты, барабаны, диски, оптические диски) - такая память называется внешней (ВЗУ) .
• Для ВЗУ сообщения переносятся только между запоминающей средой и ОЗУ, поэтому такую память часто называют память с непрямым доступом.

Память

.

ВЗУ

Процессор

ОЗУ

Кэш-память cache memory - буферное ЗУ

• Необходимость в создании кэш-памяти возникла потому, что появились процессоры, работающие с очень большим быстродействием и для выполнения сложных прикладных процессов возникла потребность в очень большой памяти.
• Использование большой сверхскоростной памяти было невыгодно. Поэтому между оперативной памятью и процессором стали устанавливать меньший по размерам высокоскоростной буфер, названный кэш-память.

Классификация памяти по возможности записи и стирания

• выделяют следующие типы:

• ОЗУ - оперативное запоминающее устройство - память с произвольным доступом - RAM ( Random Access Memory), в которую записываются и в которой стираются данные любое число раз; ПЗУ - постоянное запоминающее устройство - ROM ( Read-Only Memory ) , являющееся постоянной памятью, данные в которую записываются в процессе изготовления запоминающего устройства и больше не изменяются.
• ОЗУ - оперативное запоминающее устройство - память с произвольным доступом - RAM ( Random Access Memory), в которую записываются и в которой стираются данные любое число раз;
• ПЗУ - постоянное запоминающее устройство - ROM ( Read-Only Memory ) , являющееся постоянной памятью, данные в которую записываются в процессе изготовления запоминающего устройства и больше не изменяются.

Классификация памяти по возможности записи и стирания

Память

ОЗУ

ПЗУ

ROM

SRAM

PROM

DRAM

EPROM

Логическая организация ОЗУ

Емкость ОЗУ 16 * 4 = 64 бит

• Поле записи ОЗУ имеет 64 позиции, которые организованы в 16 групп (слов) по 4 разряда в каждой,т.е. ОЗУ 16х4. В такое ОЗУ можно поместить 16 слов по 4 разряда каждое.

Логическая организация ОЗУ

слово

адрес

Емкость ОЗУ 16 * 4 = 64 бит

• Двоичные слова одинаковой длины (данные и команды программы) помещаются в ячейки памяти по их адресам. Адреса можно представить себе как целые двоичные числа из некоторого интервала . Каждый адрес определяет в точности одну запоминающую ячейку памяти.

Логическая организация ОЗУ

• Ячейку памяти, отведенную под нужное нам слово (т.е.номер слова) называют адресом этого слова. Например,адрес слова 3 - 0011(в двоичной системе счисления). По этому адресу записана информация 0110 - это значение слова 3.

Логическая организация ОЗУ

• Ячейку памяти, отведенную под нужное нам слово (т.е.номер слова) называют адресом этого слова. Например,адрес слова 3 - 0011(в двоичной системе счисления). По этому адресу записана информация 0110 - это значение слова 3.

Логическая организация ОЗУ

• Ячейку памяти, отведенную под нужное нам слово (т.е.номер слова) называют адресом этого слова. Например,адрес слова 3 - 0011(в двоичной системе счисления). По этому адресу записана информация 0110 - это значение слова 3.

Логическая организация ОЗУ

• Такие ОЗУ называются ЗУ с прямым доступом, т.к.можно по номеру слова и номеру разряда обратиться непосредственно к данной ячейке памяти и записать или считать информацию из этой ячейки.

• В ОЗУ записанная информация теряется при отключении питания. Поэтому такие ОЗУ называются энергозависимыми и используются для временного хранения информации .
• ОЗУ современных ЭВМ - это большие интегральные схемы (БИС).

Микросхема DRAM

По способу хранения информации различают ОЗУ

• а) Статические (SRAM) - каждый бит информации (0 или 1) хранится в элементе типа электронной защелки(триггер), состояние которого остается неизменным до тех пор, пока не будет сделана новая запись в этот элемент или не будет выключено питание. Статическая память является более дорогой и имеет высокое энеpгопотpебление, но она имеет высокое быстродействие (единицы-десятки наносекунд) и низкую удельную плотность данных (поpядка единиц Мбит на коpпус). Поэтому статическая память используется в основном в качестве буфеpной кэш-память).

По способу хранения информации различают ОЗУ

• б) динамические (DRAM) - каждый информационный бит хранится в виде заряда конденсатора (ПЗС - структуры, МДП-структуры). Из-за наличия токов утечки заряд конденсатора необходимо периодически восстанавливать (каждую миллисекунду) и, как следствие, эта память работает медленнее, чем статическая. Каждый ее элемент занимает на кристалле Интегральной Схемы (ИС) меньше места, чем в SRAM .

DRAM

• В динамической памяти ячейки постpоены на основе областей с накоплением заpядов, занимающих гоpаздо меньшую площадь, нежели тpиггеpы, и пpактически не потpебляющих энеpгии пpи хpанении. Пpи записи бита в такую ячейку в ней фоpмиpуется электpический заpяд, котоpый сохpаняется в течение нескольких миллисекунд; для постоянного сохpанения заpяда ячейки необходимо pегенеpиpовать - пеpезаписывать содеpжимое для восстановления заpядов. Ячейки микpосхем динамической памяти оpганизованы в виде пpямоугольной (обычно - квадpатной) матpицы. Ячейки динамической памяти имеют большее вpемя сpабатывания (десятки-сотни наносекунд) и большую удельную плотность (поpядка десятков Мбит на коpпус) и меньшее энеpгопотpебление. DRAM в 4-5 раз дешевле статической.

Сравнение SRAM и DRAM

• Наиболее эффективным является использование динамической памяти вместе с небольшой по размерам статической памятью.

Десять лет усилий разработчиков привели к росту:

• производительности процессоров в 100 раз,
• производительности основной памяти только в 12 раз.

Для обработки качественной графики и видео в ПЭВМ нужна более быстрая основная память. Ее пропускная способность, как предсказывает компания Intel, в 1999 года достигнет 1,6 Гбайт/с.

КЭШ-память ( CACHE)

• Эффективным способом увеличения скорости обмена информацией между процессором и ОЗУ является использование кеш-памяти, вводимой сначала непосредственно в центральный процессор (первый уровень), а затем помещенной на материнскую плату (второй уровень).

КЭШ-память ( CACHE)

• КЭШ-память логически представляет собой промежуточный буфер, через который прокачиваются данные. Область кеш-памяти, предназначенная для временного хранения данных перед или после их пересылки из одного компонента системы в другой, либо из одной системы в другую называют буферной или буфером . Копирование может осуществляться как по чтению, так и по записи. Выигрыш по быстродействию достигается благодаря тому, что часто используемые данные находятся в КЭШе, а потому доступ к ним со стороны микропроцессора ускоряется.

Структура КЭШ-памяти

Запись

Запись

Оперативная память

Внешняя кэш-память

Кэш-память, встроенная в процессор

Считывание

Считывание

Обратная запись

Результаты эталонных тестов показали, что при работе кэш-памяти производительность центрального процессора возрастает почти в три раза.

Для работы DOS.xx и Windows 3.xx достаточен объем внешней кеш-памяти - 256 Кбайт, а для Windows -95 - 512 Кбайт и выше.

Структура КЭШ-памяти

Запись

Запись

Внешняя кэш-память

Оперативная память

Кэш-память, встроенная в процессор

Считывание

Считывание

Обратная запись

Объема встроенной кэш-памяти 1-го уровня (емкостью 8 Кбайт) недостаточно для крупных частей программы или количеств данных, поэтому на современных материнских платах размещают дополнительную внешнюю кеш-память 2-го уровня (Second-level-Cache), среднее время обращения порядка 25 нс.

Структура КЭШ-памяти

Запись

Запись

Внешняя кэш-память

Оперативная память

Кэш-память, встроенная в процессор

Считывание

Считывание

Обратная запись

Если процессор не находит желаемые данные во внутренней кэш-памяти, то он, в первую очередь, пытается найти их во внешней кэш-памяти и только после этого производит выборку данных из более медлительной оперативной памяти.

Постоянные запоминающие устройства - ПЗУ

• Это полупроводниковые энергонезависимые ЗУ . Ячейки памяти в ПЗУ, как правило, не триггерного типа: это специальные элементы (диоды,транзисторы), которые при изготовлении ПЗУ устанавливаются в состоянии логического "0" или "1".
• В запрограммированное ПЗУ нельзя занести новую информацию, а можно только многократно считывать уже записанную - (ROM-Read-Only Memory).
• В ПЭВМ ПЗУ используют для хранения программ начального запуска (самозагрузки) и других обслуживающих системных программ. Программы, хранимые в ПЗУ, образуют программно-аппаратное обеспечение ЭВМ.

3 вида ПЗУ по принципу действия :

• 1) масочное ПЗУ (MROM) - информация "защита" по специальному шаблону или маске при его изготовлении и изменению не подлежит.
• 2) программируемое ПЗУ (PROM) - пользователю предоставляется возможность самостоятельно запрограммировать ПЗУ после его изготовления. Программирование осуществляется специальным устройством программатором и состоит в пережигании плавких перемычек. После такого программирования содеждимое памяти не может быть изменено.

3 вида ПЗУ по принципу действия :

• 3) стираемые программируемые ПЗУ (EPROM) - записанная информация может стираться с помощью интенсивного ультрафиолетового излучения (за 10-15 мин). Новая запись осуществляется с помощью специального программатора. Фирмы Toshiba и NEC выпустили кристаллы емкостью 512 Кбайт, обеспечивающие время доступа 150-120 нс.