Предисловие

Данное учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника» по специальности «Электронные вычислительные машины, системы и сети».

Материалы, касающиеся классификации ЭВМ и систем, принципов организации процессоров с CISC и RISC архитектурой команд, а также алгоритмов исполнения команд, были рассмотрены в учебном пособии «Организация ЭВМ и систем. Часть 1».

В учебном пособии «Организация ЭВМ и систем. Часть 2» были рассмотрены вопросы, связанные с организацией конвейеров и построением устройств управления.

Предлагаемое учебное пособие является продолжением. Оно включает разделы курса, посвященные памяти вычислительных систем.

Дается классификация памяти. Рассматривается иерархическая структура памяти ЭВМ и ее связь с основными характеристиками. Раздел, посвященный схемотехническим основам построения памяти, включает структурные схемы и временные диаграммы работы микросхем памяти статического и динамического типов, а также вопросы, связанные с организацией ПЗУ.

В разделе «Структурная организация памяти» особое внимание уделяется вопросам построения многомодульных ОЗУ различных типов, увеличению информационной емкости модулей. Кроме того, рассматривается внутренняя регистровая память процессора и основы построения КЭШ-памяти различных типов.

В разделе «Организация памяти в мультипрограммных режимах работы вычислительных систем» рассматриваются различные способы виртуального распределения памяти, вопросы преобразования виртуальных адресов в физические и приводятся схемы технической поддержки преобразования.

Весь материал авторы постарались изложить кратко и наглядно проиллюстрировать необходимыми схемами и диаграммами.

1. Место памяти в вычислительных системах

1.1. Классификация запоминающих устройств

Память является вторым по значимости устройством в вычислительных системах после центрального процессора (ЦП). Она предназначена для приема, хранения и выдачи информации для ЦП и других блоков системы. Память организуется по многоуровневой системе и состоит из различных блоков запоминающих устройств (ЗУ), которые можно классифицировать по ряду признаков.

По местоположению в системах память подразделяется на

внутреннюю и внешнюю. К внутренней памяти относится оперативное запоминающее устройство ОЗУ, регистровая память процессора – регистры общего назначения (РОН), все виды управляющих памятей УП, постоянные запоминающие устройства ПЗУ, КЭШ-память.

К внешней памяти относятся магнитные, оптические диски, Flash-память, накопители на магнитных лентах и магнитных барабанах – НМЛ и НМБ. Обращение к этим запоминающим устройствам и их подключение соответствует аналогичным действиям с периферийными устройствами, и в настоящем учебном пособии внешние запоминающие устройства (ВЗУ) рассматриваться не будут.

По выполняемым функциям.

ОЗУ – для хранения программ и данных.

РОН – для хранения текущих данных и блока команд, обрабатываемых процессором.

УП – для хранения микропрограмм, реализуемых процессором.

По способу организации доступа к информации.

ЗУ с прямым (произвольным) доступом. Характеризуются независимостью времени обращения в режимах чтения и записи от значения адреса – ОЗУ, СОЗУ, КЭШ, все виды ПЗУ.

ЗУ с циклическим доступом, в которых время доступа определяется временем оборота носителя относительно считывающих или записывающих головок. К ним относятся все ЗУ на магнитных дисках.

ЗУ с последовательным доступом. У данного вида памяти время доступа определяется временем перемещения носителя и местом расположения информации на носителе, что характерно для НМЛ.

По способам адресации.

Адресные ЗУ (ОЗУ, РОН, УП, некоторые виды КЭШ, все виды ВЗУ).

Безадресные: а) работающие по определенным алгоритмам - стеки FIFO, очередь LIFO; б) ЗУ ассоциативного типа, в которых поиск информации осуществляется не по адресам, а по ассоциативным признакам – некоторые виды КЭШ.

По физическим принципам записи и хранения информации.

Полупроводниковые: а) статические, у которых запоминающими элементами (ЗЭ) являются бистабильные статические триггеры; б) динамические, где в качестве запоминающих элементов используются конденсаторы. Данные ЗУ требуют периодической регенерации информации вследствие разряда конденсаторов.

Магнитоэлектрические.

Оптические.

Магнитооптические.

1.2. Основные характеристики запоминающих устройств

1.Емкость памяти. Определяется количеством хранимых единиц информации в битах, байтах или словах.

2.Быстродействие. Определяется следующими временными характеристиками

Тобр.зп=tдос+tзп

[1.1]

Тобр.чт=tдос+tчт

Где Тобр - это минимально допустимый отрезок времени между двумя последовательными обращениями к ЗУ, в течение которого происходит либо полный цикл записи информации, либо полный цикл чтения, включая регенерацию, если она необходима.

tдос - определяется задержками внутри электрических схем во время дешифрации и выбора ячейки по адресу.

tзап - время изменения состояния ЗЭ.

tчт - время опроса ЗЭ.

Кроме того, быстродействие характеризуется временем выборки (Твыб) – временем от момента прихода на вход ЗУ кода адреса ячейки и сигнала "чтение" до появления на выходе ЗУ информации из этой ячейки.

При одном и том же уровне технологии изготовления ЗУ характеристики емкости и быстродействия являются противоречивыми.

3.Стоимость. Обычно пользуются величиной удельной стоимости (Со), которая характеризуется отношением абсолютной стоимости ЗУ (Сзу) к количеству бит информации (М).

Со=Сзу/М [1.2]

4.Ширина выборки. Это количество двоичных разрядов, которые могут быть одновременно записаны в выбранную ячейку ЗУ или считаны из нее.

5.Экономичность(Э). Это соотношение затрат энергии на все электронное оборудование ЗУ (Сэ) к стоимости ЗУ (Сзу):

Э= Сэ/Сзу [1.3]

6.Удельная плотность (Р). Характеризуется количеством бит информации (М), хранящихся в единице площади носителя ЗУ (S).

Р=M/S [1.4]