9

Тема 4. Функциональная и структурная организация эвм лекция 4.2. Внутренняя память персональной эвм

1. Структура памяти персонального компьютера

Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве – памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройства ввода. Ёмкость памяти измеряется в величинах кратных байту.

Для обеспечения высокой производительности ЭВМ необходимо, чтобы её память удовлетворяла следующим требованиям:

• большая емкость (не менее сотен Мбайт);

• высокое быстродействие (время доступа не более десятка нс);

• энергонезависимость, т.е. обеспечение хранения программ и данных при выключении ЭВМ).

Эти требования невозможно удовлетворить путем построения памяти в виде единого запоминающего устройства (ЗУ), что связано с их противоречивостью. Например, чем больше емкость памяти, тем обычно ниже её быстродействие, или наиболее быстродействующее ЗУ, выполненное на триггерах, не обеспечивает требование по долговременности хранения информации.

Поэтому в современных ЭВМ память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов, отличающиеся функциональным назначением, значениями основных характеристик и физическими принципами работы.

Функционально она делится на две части: внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя или основная память – это запоминающие устройства, напрямую связанные с процессором и предназначенные для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объём, определяемый системой адресации машины.

Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ), постоянную (ПЗУ) память и быструю кэш-память.

2. Оперативная память

2.1. Основные понятия

Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приёма, временного хранения и выдачи информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе, выполняемом ЭВМ в текущий период времени. Она называется оперативной, так как процессор может обратиться к ячейке этой памяти по её адресу в любой (произвольный) момент времени. Её еще называют памятью с произвольным (прямым) доступом Random Access Memory (RAM). Главным достоинством оперативной памяти, наряду с прямым адресным доступом к её ячейкам, является ее высокое быстродействие, время доступа к ней (access time) составляет десятки нс (50-70 10^-9 с). Недостатком ОЗУ является невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость). Ёмкость ОЗУ в современных ЭВМ составляет 64 –256 Мбайт,

Оперативную память ЭВМ можно представит в виде длинной цепочки элементов, предназначенных для хранения единицы информации 1 бита. Отсюда и элемент памяти также называется битом. Каждый элемент памяти (бит) может находиться в двух различных состояниях, соответствующих двоичным знакам 1 и 0. Перевод элемента памяти (бита) в состояние 0 принято называть очисткой (clear) бита, а в состояние 1 – установкой (set) бита.

Бит, однако, является слишком мелкой единицей памяти, поэтому биты объединяют в группы по 8 штук в каждой. Такая группа из 8 бит называется байтом. Байт памяти может находиться в 2⁸=256 различных состояниях, которые принято обозначать числами от 0 до 255. Их можно представить в разных системах счисления.

Например, состояние 10010010₂=146₁₀=222₈=92₁₆;

00100100₂=35₁₀=44₈=24₁₆.

Рис. 4.4. Байт памяти

Биты в байте обозначаются индексами 0…7. Младший имеет индекс 0. Каждый байт составляет ячейку памяти с постоянным номером, называемым адресом. Таким образом, оперативная память в целом это вектор байт с индексом от 0 до некоторого максимального значения, зависящего от объема памяти ЭВМ. Индекс конкретного байта в векторе и есть его адрес. Адреса обычно записываются в 16-ричной системе (реже в 8-ричной).

Объем памяти обычно измеряют Кбайтах или чаще в Мбайтах. Например, для ЭВМ PDP-11, имеющей 16-разрядную шину адреса максимальный объем памяти 2¹⁶= 64 Кбайт, а максимальный адрес 2¹⁶-1=FFFF₁₆=177777₈=65535₁₀. В компьютерах на процессоре Intel 8086 с 20-разрядной шиной адреса максимальный объем памяти 2²⁰= 1 Мбайт, а максимальный адрес 2²⁰-1=FFFFF₁₆=3777777₈=1048575₁₀.

Для многих целей, например для представления чисел, и байт слишком малая единица памяти. Поэтому в ЭВМ предусмотрена возможность работать с группами последовательных байтов, адресуясь к первому из них. В 16-разрядных ЭВМ байты объединяют в пары: нулевой с первым, второй с третьим, и т.д. Такая пара байт с соседними адресами, из которых меньший адрес четный, называется словом (машинным словом). Сам меньший адрес (четный) называется адресом слова.

Таким образом память можно представить в виде вектора слов с четными индексами. Всего в PDP-11 имеют адрес 32768 слов, т.е. объем адресуемой памяти 32 Кслов, а у Intel 8086 объем адресуемой памяти 512 Кслов.

Машинное слово с одной стороны является основной единицей памяти, а с другой, как единая последовательность из бит, основной единицей передачи и обработки информации. Оно может быть одновременно помещено в регистр процессора и обработано АЛУ. 16-разрядное слово может принимать 2¹⁶=65536 различных состояний, биты в слове нумеруются справа налево. Левый байт называется младшим, правый – старшим.

Рис.4.5. Адресация слов памяти

Рис.4.6. 16-разрядное слово