Память динамического типа (англ. Dram (Dynamic Random Access Memory))

Основная статья: DRAM

Экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов) и во-вторых, компактности (там, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов). Есть и свои минусы. Во-первых, память на основе конденсаторов работает медленнее, поскольку если в SRAM изменение напряжения на входе триггера сразу же приводит к изменению его состояния, то для того чтобы установить в единицу один разряд (один бит) памяти на основе конденсатора, этот конденсатор нужно зарядить, а для того чтобы разряд установить в ноль, соответственно, разрядить. А это гораздо более длительные операции (в 10 и более раз), чем переключение триггера, даже если конденсатор имеет весьма небольшие размеры. Второй существенный минус — конденсаторы склонны к «стеканию» заряда; проще говоря, со временем конденсаторы разряжаются. Причём разряжаются они тем быстрее, чем меньше их ёмкость. За то, что разряды в ней хранятся не статически, а «стекают» динамически во времени, память на конденсаторах получила своё название динамическая память. В связи с этим обстоятельством, дабы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов для восстановления необходимо «регенерировать» через определённый интервал времени. Регенерация выполняется центральным микропроцессором или контроллером памяти, за определённое количество тактов считывания при адресации по строкам. Так как для регенерации памяти периодически приостанавливаются все операции с памятью, это значительно снижает производительность данного вида ОЗУ.

[Править] Память статического типа (англ. Sram (Static Random Access Memory))

Основная статья: SRAM (память)

ОЗУ, которое не надо регенерировать (и обычно схемотехнически собранное на триггерах), называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти — скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи. Используется для организации сверхбыстрого ОЗУ, критичного к скорости работы.

19. Основные временные задержки, определяющие производительность модуля памяти. Нотация w-x-y-z-T.

Модули DDR часто описываются, используя специальную нотацию: w-x-y-z-T.

w CL

CAS Latency, CAS - это количество тактов от момента запроса данных до их считывания с модуля памяти. Одна из важнейших характеристик модуля памяти, определяющая ее быстродействие. Чем меньше значение CL, тем быстрее работает память.

x tRCD RAS to CAS Delay - задержка между сигналами, определяющими адрес строки и адрес столбца.

y tRP

Row Precharge Delay - параметр, определяющий время повторной выдачи (период накопления заряда, подзаряд) сигнала RAS, т.е. время, через которое контроллер памяти будет способен снова выдать сигнал инициализации адреса строки.

z tRAS Activate to Precharge Delay - минимальное количество циклов между командой активации (RAS) и командой подзарядки (Precharge) или закрытия одного и того же банка памяти.

T Tx - Command Rate

20. Назначение и функции кэш-памяти ЦПУ. Обоснование возможности применения кэш-памяти.

Память SRAM делается недоступной и прозрачной для пользователя, а её администрирование возлагается на процессор. При таком решении SRAM используется для создания временных копий (КЭШа) данных из основной памяти, которые с большой вероятностью будут использованы процессором.

Для того, чтобы эффективно организовать работу кэш-памяти, необходимо определить, что должно кэшироваться в каждый момент времени. Т.к. не все данные рабочего пространства пользователя используются в заданный момент времени, можно использовать временное замещение некоторых данных в кэше другими данными. Возможно, такое замещение можно выполнить еще до того момента, как данные потребуются. Механизм упреждающего чтения позволил бы снизить стоимость доступа к памяти. С использование таких стратегий позволили бы сделать кэш будет работать эффективно. На эффективность использования программой кэш-памяти также может повлиять программист.

21. Инклюзивная и эксклюзивная кэш-память.

Многоуровневая кэш-память бывает эксклюзивной и инклюзивной. В эксклюзивной кэш-памяти одна и та же линейка может находиться только на одном уровне кэша. В инклюзивной кэш-памяти линейка, присутствующая в одном кэше, должна присутствовать в кэше следующего уровня. В случае эксклюзивной кэш-памяти для того, чтобы загрузить в кэш новую линейку необходимо освободить под неё место. Вытеснение из L1d продвигает линейку в кэш L2 (в котором размер линейки такой же, как и в L1). Для этого нужно освободить место в кэше L2. Если есть третий уровень кэша, то линейка из L2 продвигается в L3, и т.д., пока не будет записана в основную память. Каждое продвижение (из L1 в L2, из L2 в L3 и т.д.) становится всё более затратным по времени. Такой тип кэш-памяти используется в процессорах AMD и VIA. В случае инклюзивной кэш-памяти продвижение из L1d в L2 происходит намного

быстрее. Такой тип памяти используется в процессорах Intel.

Преимущества инклюзивного кэша:

Занятие №2

• быстрое вытеснение из L1d

Недостатки:

• хранение одинаковых данных в L1d и L2

• при загрузке линейки необходимо загружать её в L1d и в L2

Преимущества эксклюзивного кэша:

• быстрая загрузка линейки в L1d

Недостатки:

• медленное вытеснение из L1d

22. Проблема когерентности кэшей в многоядерных/многопроцессорных SMP-системах.

Управление кэшами осуществляется центральным процессором, т.к. модель памяти, определённая для данной архитектуры, не изменяется.

В SMP-системах кэши ЦПУ не могут работать независимо друг от друга. Все процессоры должны "видеть" одно и то же содержимое память в каждый момент времени. Проблема (maintenance) однородности памяти в этом случае называется когерентностью кэшей. Если бы процессор обращался только к своему кэшу и к оперативной памяти, то он бы не увидел содержимое грязных линеек кэша других процессоров. Обеспечение прямого доступа к кэшу одного процессора из другого процессора было бы очень дорогостоящим и стало бы узким местом в системе. Вместо этого процессор в SMP-системе определяет, когда другим процессорам требуется прочитать или записать данные в свои линейки кэша.

23. Полностью ассоциативная кэш-память. 

Возможно реализовать кэш, в котором каждая линейка могла бы хранить любую область памяти. Такой кэш называется полностью ассоциативным кэшем. Для достука к линейке кэша просессор должен сравнить теги для каждой линейки каждого кэша с тэгом запрашиваемой области памяти. Тэг в этом случае состоит из полного адреса, смещение отсутствует (S=0). Такие кэши существуют, но в случае кэша L2 такая схема не практична. Для кэша размером 4 Мб с размером линейки 64 байт кэш имел бы 65536 линеек. Для достижения приемлемой производительности логика кэша должна обеспечивать сравнение тэгов всех линеек с заданным и выбор нужной ячейки за несколько циклов ЦПУ. Реализация кэша такого типа с таким размером очено сложна.

Для каждой линейки компаратор должен ставнить значение тэга. Тэг имеет большой размер, т.к. S=0. Буква над каждой связью означает размер значения в битах. Если буквы не указано, то размер значения равен 1 бит. Каждый компаратор должен сравнить 2 T-битных значения. Затем, в зависимости от результата, нужная линейка кэша выбирается и делается доступной. Для этого требуется объединить столько наборов данных из O бит, сколько есть cache buckets. Число транзисторов, требуемое для реализации одного компаратора, велико, особенно, если требуется высокое быстродействие. Итеративные компараторы в данном случае не годятся. Единственный способ уменьшения числа компараторов - это использование итеративного сравнения тэгов. Данный способ также не подходит из-за низкого быстродействия.

Полностью ассоциативные кэши используются в кэшах малого размера (например, кэш TLB в некоторых процессорах Intel). Размер полностью ассоциативных кэшей – несколько десятков элементов.

24. Кэш-память прямого отображения.

Второй крайний случай - это кэш прямого отображения. Упрощение структуры кэша заключается в ограничении поиска. Все линейки кэша нумеруются, старшие биты используются в качестве тэга. Для кэша размером 4 Мб с размером линейки 64 байт с 65536 линейками можно напрямую адресовать каждую запись, используя биты с 6 по 21 (16 бит). Младшие 6 бит - это индекс в линейке кэша. Старшие - тэг. Для поиска в таком кэше выбирается линейка с индексом S и затем сравниваются тэги. Если тэги совпадают, то фиксируется попадание, иначе - промах.

Такой тип кэш-памяти быстрый и относительно просто реализуемый. Для реализации требуется один компаратор, один мультиплексор (в примере 2, т.к. тэг и данные разделены, но структуру не сложно переделать) и логика для выборки содержимого нужной линейки. Сложность изготовления компаратора зависит от требований к быстродействию, но он всего один, поэтому можно сделать его достаточно сложным. Самый сложный элемент в такой схеме - мультиплексор. Число транзисторов в обычном мультиплексоре пропорционально O(logN), где N - число линеек кэша; но обычный мультиплексор может работать медленно. Для повышения скорости работы можно использовать более сложную логику с большим числом транзисторов, чтобы распараллелить скорость работы мультиплексора и увеличить общую скорость работы памяти. При увеличении размера кэша общее число транзисторов растёт медленно, что является большим преимуществом такого типа памяти. Но у такой памяти есть существенный недостаток: кэш хорошо работает только в том случае, если адреса, используемые программой, равномерно распределены по смещениям внутри условных страниц. В таком кэше не могут храниться линейки с одинаковыми смещениями внутри условных страниц, иначе линейку необходимо будет перезагружать.

25. Наборно-ассоциативная кэш-память.

Чтобы объединить достоинства полностью ассоциативного кэша и кэша прямого

отображения был разработан ассоциативный кэш с множественным доступом. Рисунок показывает структуру такого кэша. Хранилища тегов и данных разделены на группы, которые выбираются по адресу (как в кэше прямого отображения), а каждая группа содержит несколько значений (которые выбираются как в полностью ассоциативном кэше). Сравнение тэгов для всех множеств происходит параллельно (как в полностью ассоциативном кэше).

В результате получается кэш может хранить несколько линеек с одинаковым индексом, и в то же время размер кэша не ограничен жёстко числом компараторов, которые должны работать параллельно. Число наборов в таком кэше называется ассоциативностью. Оно показывает, сколько в таком кэше можно хранить линеек с одинаковым индексом. Для увеличения размера кэша нужно увеличить число столбцов. Для увеличения ассоциативности необходимо увеличить число строк.

1. Базовые топологии ЛВС. Достоинства и недостатки. Области применения.

В настоящее время в локальных сетях используются следующие физические топологии:

физическая "шина" (bus);

Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой Ethernet (классы 10Base-5 и 10Base-2 для толстого и тонкого коаксиального кабеля соответственно). Преимущества сетей шинной топологии:

 отказ одного из узлов не влияет на работу сети в целом;

 сеть легко настраивать и конфигурировать;

 сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов. Недостатки сетей шинной топологии:

 разрыв кабеля может повлиять на работу всей сети;

 ограниченная длина кабеля и количество рабочих станций;

 трудно определить дефекты соединений

физическая “звезда” (star);

 Преимущества сетей топологии звезда:

 легко подключить новый ПК;

 имеется возможность централизованного управления;

 сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК. Недостатки сетей топологии звезда:

 отказ хаба влияет на работу всей сети;

 большой расход кабеля;

физическое “кольцо” (ring);

В сети с топологией типа физическое кольцо используется маркерный доступ, который предоставляет станции право на использование кольца в определенном порядке. Логическая топология данной сети - логическое кольцо. Данную сеть очень легко создавать и настраивать. К основному недостатку сетей топологии кольцо является то, что повреждение линии связи в одном месте или отказ ПК приводит к неработоспособности всей сети. Как правило,  в чистом виде топология “кольцо” не применяется из-за своей ненадёжности, поэтому на практике применяются различные модификации кольцевой топологии.

физическая "звезда" и логическое "кольцо" (Token Ring).

Физически такая сеть построена по типу топологии “звезда”. Концентратор создаёт первичное (основное) и резервное кольца. Если в основном кольце произойдёт обрыв, то его можно обойти, воспользовавшись резервным кольцом, так как используется четырёхжильный кабель. Отказ станции или обрыв линии связи рабочей станции не вличет за собой отказ сети как в топологии кольцо, потому что концентратор отключет неисправную станцию и замкнет кольцо передачи данных.

Преимущества сетей топологии Token Ring:

 топология обеспечивает равный доступ ко всем рабочим станциям;

 высокая надежность, так как сеть устойчива к неисправностям отдельных станций и к разрывам соединения отдельных станций. Недостатки сетей топологии Token Ring: большой расход кабеля и соответственно дорогостоящая разводка линий связи.

2. Эталонная модель OSI. Примеры протоколов для каждого уровня модели.

7 Прикладной напр., HTTP, SMTP, SNMP, FTP, Telnet, SSH, SCP, SMB, NFS, RTSP, BGP

6 Представления напр., XDR, AFP, TLS, SSL

5 Сеансовый напр., ISO 8327 / CCITT X.225, RPC, NetBIOS, PPTP, L2TP, ASP

4 Транспортный напр., TCP, UDP, SCTP, SPX, RTP, ATP, DCCP, GRE

3 Сетевой напр., IP, PPP, ICMP, IGMP, CLNP, OSPF, RIP, IPX, DDP, ARP, RARP

2 Канальный напр., Ethernet, Token ring, HDLC, X.25, Frame relay, ISDN, ATM, MPLS

1 Физический: IEEE 802.15 (Bluetooth), IRDA, EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485, DSL, ISDN, SONET/SDH, 802.11 Wi-Fi, Etherloop, GSM Um radio interface, ITU и ITU-T, TransferJet, ARINC 818, G.hn/G.9960.

3. Стек протоколов TCP-IP.

Стек протоколов TCP/IP (англ. Transmission Control Protocol/Internet Protocol — протокол управления передачей) — набор сетевых протоколов разных уровней модели сетевого взаимодействия DOD, используемых в сетях. Протоколы работают друг с другом в стеке (англ. stack, стопка) — это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протокола IP.

Стек протоколов TCP/IP основан на модели сетевого взаимодействия DOD и включает в себя протоколы четырёх уровней:

• прикладного (application),

• транспортного (transport),

• сетевого (network),

• канального (data link).

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.

5 Прикладной «7 уровень» напр., HTTP, RTP, FTP, DNS (RIP, работающий поверх UDP, и BGP, работающий поверх TCP, являются частью сетевого уровня)

4 Транспортный напр., TCP, UDP, SCTP, DCCP (протоколы маршрутизации, подобные OSPF, что работают поверх IP, являются частью сетевого уровня)

3 Сетевой Для TCP/IP это IP (IP) (вспомогательные протоколы, вроде ICMP и IGMP, работают поверх IP, но тоже относятся к сетевому уровню; протокол ARP является самостоятельным вспомогательным протоколом, работающим поверх физического уровня)

2 Канальный Ethernet, IEEE 802.11 Wireless Ethernet, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS

1 Физический напр., физическая среда и принципы кодирования информации, T1, E1

4. Коаксиальный кабель. Область применения.

Коаксиа́льный ка́бель (коаксиальная пара) — Пара, проводники которой расположены соосно и разделены изоляцией^[1].

Коаксиа́льный ка́бель (от лат. co — совместно и axis — ось, то есть «соосный»), также известный как коаксиал (от англ. coaxial), — электрический кабель, состоящий из расположенных соосно центрального проводника и экрана и служащий для передачи высокочастотных сигналов.

4 (A) — оболочки (служит для изоляции и защиты от внешних воздействий) из светостабилизированного (то есть устойчивого к ультрафиолетовому излучению солнца) полиэтилена, поливинилхлорида, повива фторопластовой ленты или иного изоляционного материала; 3 (B)— внешнего проводника (экрана) в виде оплетки, фольги, покрытой слоем алюминия пленки и их комбинаций, а также гофрированной трубки, повива металлических лент и др. из меди, медного или алюминиевого сплава;

2 (C)— изоляции, выполненной в виде сплошного (полиэтилен, вспененный полиэтилен, сплошной фторопласт, фторопластовая лента и т. п.) или полувоздушного (кордельно-трубчатый повив, шайбы и др.) диэлектрического заполнения, обеспечивающей постоянство взаимного расположения (соосность) внутреннего и внешнего проводников;

1 (D)— внутреннего проводника в виде одиночного прямолинейного (как на рисунке) или свитого в спираль провода, многожильного провода, трубки, выполняемых из меди, медного сплава, алюминиевого сплава, омеднённой стали, омедненного алюминия, посеребренной меди и т. п.

Благодаря совпадению центров обоих проводников, а также определенному соотношению между диаметром центральной жилы и экрана, внутри кабеля в радиальном направлении образуется режим стоячей волны, позволяющий снизить потери электромагнитной энергии на излучение почти до нуля. В то же время экран обеспечивает защиту от внешних электромагнитных помех.

Основное назначение коаксиального кабеля — передача сигнала в различных областях техники:

• системы связи; вещательные сети; компьютерные сети;

• антенно-фидерные системы;

• АСУ и другие производственные и научно-исследовательские технические системы;

• системы дистанционного управления, измерения и контроля;

• системы сигнализации и автоматики;

• системы объективного контроля и видеонаблюдения;

• каналы связи различных радиоэлектронных устройств мобильных объектов (судов, летательных аппаратов и др.);

• внутриблочные и межблочные связи в составе радиоэлектронной аппаратуры;

• каналы связи в бытовой и любительской технике;

• военная техника и другие области специального применения.

5. Экранированная и неэкранированная витая пара. Область применения.

Вита́я па́ра (англ. twisted pair) — вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой.

Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. Для снижения связи отдельных пар кабеля (периодического сближения проводников различных пар) в кабелях UTP категории 5 и выше провода пары свиваются с различным шагом.

В зависимости от наличия защиты — электрически заземлённой медной оплетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности данной технологии:

• неэкранированная витая пара (англ. UTP — Unshielded twisted pair) — без защитного экрана;

• фольгированная витая пара (англ. FTP — Foiled twisted pair), также известна как F/UTP) — присутствует один общий внешний экран в виде фольги;^{[источник не указан 287 дней]}

• экранированная витая пара (англ. STP — Shielded twisted pair) — присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки;^{[источник не указан 287 дней]}

• фольгированная экранированная витая пара (англ. S/FTP — Screened Foiled twisted pair) — внешний экран из медной оплетки и каждая пара в фольгированной оплетке;^{[источник не указан 287 дней]}

Экранирование обеспечивает лучшую защиту от электромагнитных наводок как внешних, так и внутренних и т. д. Экран по всей длине соединен с неизолированным дренажным проводом, который объединяет экран в случае разделения на секции при излишнем изгибе или растяжении кабеля.

Витая пара — один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве физической среды передачи сигнала во многих технологиях, таких как Ethernet, Arcnet и Token ring. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости в монтаже, является самым распространённым решением для построения проводных (кабельных) локальных сетей.

6. Волоконно-оптический кабель. Одномодовое и многомодовое оптоволокно. Область применения.

Волоко́нно-опти́ческая связь — вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем — волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне обуславливает возможность применения волоконно-оптической связи на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и весьма труднодоступна для несанкционированного использования — незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю технически крайне сложно.

Оптоволокно, подразделяются по диаметру сердцевины волокнана два типа : на одномодовые волокна и на многомодовые волокна. Название одномодовое или многомодовое волокно произошло от количества мод или другими словами траекторий распространения светового импулься при прохождении его по оптоволокну.

В одномодовом оптоволокне образуется небольшое количество мод и условно считается, что свет в одномодовом оптоволокне распространяется по одной траектории, поэтому такие оптические волокна называют одномодовыми.

В многомодовом оптоволокне образуется большое число мод, поэтому такие волокна называют многомодовыми.

У одномодового оптоволокна СКС диаметр сердцевины составляет 8-10 мкм. Для идентификации оптического кабеля с одномодовыми оптоволокнами на кабеле или в описании оптического кабеля можно встретить надписи 9/125 или 8-10/125.

При обозначении одномодового волокна используют две буквы SM (англ. акроним от слова SingleMode).

У многомодовых оптоволокон внешний диаметр сердцевины может быть 50 мкм или 62.5 мкм.

Волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях — от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния

7. Кодирование двоичных сигналов. Основные критерии выбора способа кодирования. Потенциальный код NRZ.

Все виды данных в компьютерном мире представляют собой бинарный код. Каждый метод кодирования устанавливает, по какому правилу данные будут представлены в виде сигналов. В случае электрических линий передачи каждому набору бит будет приведён в соответствие определённый набор уровней электрического сигнала. Некоторые методы кодирования обладают свойством самосинхронизации, что позволяет упростить процесс декодирования. Также имеет большое значение то, какое количество данных может быть передано по физическому каналу. При выборе способа кодирования необходимо руководствоваться несколькими целями: 1) минимизировать ширину спектра сигнала 2) обеспечить синхронизацию между передатчиком и приёмником. 3) обеспечить устойчивость к шумам 4) обнаруживать и по возможности исправлять битовые ошибки. 5) минимизировать мощность передатчика