- •Вычислительные машины (конспект лекций) однопроцессорные эвм
- •Часть 3
- •8. Принципы организации ввода / вывода информации в микроэвм 5
- •8.1. Общие принципы организации вв
- •8.2. Программный вв
- •8.3. Вв по прерываниям
- •8.4. Вв в режиме пдп
- •8.4.1. Пдп с захватом цикла
- •8.4.2. Пдп с блокировкой процессора
- •8.5. Адаптер последовательного интерфейса
- •8.6. Адаптер параллельного интерфейса
- •Вопросы для самопроверки
- •Контрольные задания
- •9. Некоторые вопросы развития архитектуры эвм
- •9.1. Теги и дескрипторы. Самоопределяемые данные
- •9.2. Эвм risc-архитектуры
- •9.3. Методы оптимизации обмена процессор-память
- •9.3.1. Конвейер команд
- •9.3.2. Расслоение памяти
- •9.3.3. Буферизация памяти
- •9.4. Динамическое распределение памяти. Виртуальная память
- •9.4.1. Виртуальная память
- •9.4.2. Сегментно-страничная организация памяти
- •9.5. Защита памяти
- •9.5.1. Защита отдельных ячеек памяти
- •9.5.2. Метод граничных регистров
- •9.5.3. Метод ключей защиты
- •9.6. Алгоритмы управления многоуровневой памятью
- •9.7. Сопроцессоры
- •Вопросы для самопроверки
- •Контрольные задания
- •10. Эволюция шинной архитектурыibmpc
- •10.1. Локальная системная шина
- •10.2. Шина расширения
- •10.2.1. Шина расширенияisa
- •10.2.2. Шина расширения мса
- •10.2.3. Шина расширенияeisa
- •10.3. Локальные шины расширения
- •10.3.1. Локальная шинаvesa(vlb)
- •10.3.2. Локальная шинаpci
- •Компоненты материнской платы
- •Разновидности слотов
- •Типы разъемов оперативной памяти
- •Разъемы для подключения внешних устройств
- •Разъемы для подключения дисковых устройств
- •Разъемы процессоров
- •Вопросы для самопроверки
- •Контрольные задания
- •11. Принципы организации систем прямого доступа к памяти
- •11.1. Способы организации доступа к системной магистрали
- •11.2. Возможные структуры систем пдп
- •11.3. Организация обмена в режиме пдп
- •11.3.1. Инициализация средств пдп
- •11.3.2. Радиальная структура (slave dma)
- •11.3.3. Радиальная структура (bus master dma)
- •11.3.4. Цепочечная структура (bus master dma)
- •11.4. Принципы организации арбитража магистрали
- •Вопросы для самопроверки
- •Контрольные задания
9.3. Методы оптимизации обмена процессор-память
Вначале очень коротко рассмотрим причины, вынуждающие инженеров непрерывно совершенствовать аппаратную и идеологическую основы процессов обмена данными между процессором и памятью.
Как уже отмечалось, память современных ЭВМ имеет иерархическую, многоуровневую структуру. Чем выше уровень, тем выше быстродействие и тем меньше емкость. К верхнему уровню относятся ЗУ, с которыми процессор непосредственно взаимодействует в процессе выполнения программы. Это, прежде всего, основная или оперативная память (ОП), а также сверхоперативная внутренняя память процессора. Последняя имеет очень малую емкость и во внимание приниматься не будет, т.е. речь пойдет только об обмене процессор – ОП. К нижнему уровню памяти относятся внешние ЗУ, обладающие большой емкостью и малым быстродействием. Во всех современных ЭВМ вычислительный процесс строится так, чтобы число обращений к ВП было минимальным. В отличие от ВП современные ОП имеют достаточно высокое быстродействие (цикл обращения составляет десятки наносекунд и менее). Однако при организации взаимодействия процессор – ОП возникает много проблем, связанных с несоответствием пропускной способности процессора и памяти.
Непрерывный рост производительности (скорости работы) ЭВМ, вызываемый потребностями их применения, проявляется, в первую очередь, в повышении скорости работы процессоров. Это достигается использованием более быстродействующих электронных схем, а также специальных архитектурных решений (конвейерная и векторная обработка данных и др.). Быстродействие ОП также растет, но все время отстает от быстродействия аппаратных средств процессора. Это происходит прежде всего потому, что одновременно идет опережающий рост ее емкости, что делает более трудным уменьшение времени цикла работы памяти.
Результаты, к которым приводит такой разрыв в быстродействии процессора и ОП, можно проиллюстрировать на простейшем примере. Рассмотрим типичный цикл обращения микропроцессора к ОП, состоящий из ряда тактов Т1Т2... Т5, например МП КР580. В такте Т1 МП выставляет на ША адрес ячейки памяти, к которой будет произведено обращение. В такте Т2МП ожидает приход сигнала READY от модуля памяти. Количество тактов Т2в общем случае не ограничено. Такт Т3наступает только после поступления сигнала READY. Из этого примера становится понятным, почему увеличение тактовой частоты не всегда приводит к увеличению скорости выполнения программ, так как МП просто "топчется на месте" в ожидании ответа ОП.
Из всего сказанного следует, что существует, по крайней мере, два направления оптимизации процессов обмена процессора и ОП.
Первое направление– это совершенствование их аппаратной базы. Но, как оказалось, на этом направлении есть ряд серьезных препятствий как технологических, так и принципиальных. Одно из них связано со скоростью распространения электрического сигнала в проводнике. При низкой скорости обмена явление запаздывания сигнала не заметно. Однако оно становится заметным при повышении этих скоростей до величин, пропорциональных 109обр./с. При дальнейшем увеличении частоты обращений становится невозможным гарантировать правильность работы ОП, так как время получения данных будет существенно зависеть от места их расположения в ОП.
Второе направление– это оптимизирующие алгоритмы взаимодействия процессора и ОП, которые, естественно, также требуют аппаратной поддержки. Ниже, очень коротко, рассматриваются наиболее распространенные методы этого направления, используемые при создании современных ЭВМ.