11. Організація напівпровідникових запам’ятовуючих пристроїв. Запам’ятовуючі елементи. Нарощування об’єму пам’яті. Розподіл ліній адреси. Керуючі сигнали. Буфер обміну даних.
В основі реалізації ієрархії пам‘яті сучасних комп‘ютерів полягають 2 принципи: принцип локальності звернень та співвідношення вартість / швидкодія. Принцип локальності звернень говорить про те, що більшість програм не виконують звернень до всіх команд та даних рівноімовірно, а найчастіше звертаються до певної частини свого адресного простору.
Ієрархія пам‘яті сучасних комп‘ютерів будується на декількох рівнях, причому більш високий рівень менший по об‘єму, більш швидкий та має більшу вартість в перерахунку на один байт, ніж нижчий рівень. Усі рівні ієрархії взаємопов‘язані: дані на певному рівні можуть бути знайдені на більш низькому рівні та всі дані на більш низькому рівні можуть бути знайдені на ще нижчому і так далі, доки не буде досягнута основа ієрархії.
Архітектура пам‘яті складається з багатьох рівнів, але у кожний момент часу ми маємо справу тільки з двома сусідніми рівнями. Мінімальна одиниця інформації яка може бути присутня або відсутня у дворівневій ієрархії називається блоком. Розмір такого блоку може бути або фіксованим, або змінним. Якщо об‘єм фіксований, то об‘єм пам‘яті має бути кратним об‘єму блока.
Вдале чи невдале звернення до більш високого рівня називається відповідно попаданням (hit) або промахом (miss). Попадання це звернення до об‘єкта пам‘яті, який знайдено на даному рівні. Якщо об‘єкт не знайдено на даному рівні, така ситуація називається промахом. Коефіцієнт попадань (hit ratio) обчислюється як відносна кількість вдалого звернення до блока від загальної кількості звернень. Коефіцієнт промахів (miss ratio) – це відносна кількість промахів при зверненні до пам‘яті. Зрозуміло, сума цих коефіцієнтів повинна в результаті давати 1 або 100% якщо обчислення ведеться у процентах.
Оскільки підвищення швидкодії є головною причиною появи ієрархії пам‘яті, коефіцієнти попадань та промахів є важливими характеристиками. Час звернення при попаданні (hit time) є час звернення до більш високого рівня ієрархії, яке включає до себе час, необхідний для з‘ясування того, наявний блок у даному рівні ієрархії чи ні. Втрати при промаху (miss penalty) є час для заміщення блоків у більш високому рівні на блок з нижчого рівня + час для пересилки цього блока в пристрій (як правило, процесор). Втрати на промах також включають у себе дві компоненти: час доступу (access tine) – час звернення до першого слова при промаху, та час пересилки (transfer tine) – додатковий час для пересилки решти слів блоку. Час доступу пов‘язаний з затримкою пам‘яті більш низького рівня, у той час як час для пересилки пов’язаний зі смугою пропускання каналу між двома рівнями ієрархії.
Для того щоб описати деякий рівень ієрархії пам‘яті треба відповісти на такі питання:
Де може розміщуватися блок на вищому рівні ієрархії (розміщення блока);
Як знайти блок, коли він знаходиться на верхньому рівні (ідентифікація блока);
Який блок повинен бути замінений у випадку промаху (заміщення блоків);
Що відбувається під час запису (стратегія запису).
12. Система магістралей комп’ютера. Ієрархічний принцип побудови магістралей. Внутрішня та зовнішня магістралі процесора. Синхронні та асинхронні магістралі. Арбітраж. Типи арбітражу. Передавання даних по системній магістралі.
Інформаційна магістраль (bus) – це сукупність електричних зв’язків і обслуговуючих електронних приладів, що забезпечують обмін інформацією між двома або більше пристроями.
Магістралі можна розділити на дві категорії в залежності від їх синхронізації. У синхронній магістралі всі події відбуваються у відповідності з тактовими імпульсами, які генеруються кварцевим генератором на додатковій лінії Clock. Будь-яка дія займає цілу кількість так званих циклів магістралі. Асинхронна магістраль не містить керуючого генератора. Цикли магістралі можуть бути будь-якої потрібної довжини і необов’язково однакові по відношенню до всіх пар пристроїв.
Не дивлячись на переваги асинхронної магістралі, більшість існуючих магістралей є синхронними, оскільки синхронну систему простіше реалізувати і здійснити тестування.
Можлива ситуація, коли контроль над магістраллю намагаються отримати одночасно декілька під’єднаних до неї модулів. Оскільки в кожний момент часу тільки одному модулю може бути дозволено контролювати магістраль, необхідно „розсудити” конкуруючих претендентів. Цей процес називається арбітражем магістралі (bus arbitration). Мета процесу арбітражу полягає у тому, щоб вибрати пристрій (процесор або модуль в/в), який відіграватиме роль ведучого (master).
При централізованому
арбітражу пристрій, який отримає доступ
до магістралі, визначається спеціальним
пристроєм – контролером або арбітром
магістралі. Д
ецентралізований
арбітраж відбувається тоді, коли пристрою
потрібна магістраль, він запускає свою
лінію запиту. Коли магістраль не
потрібна жодному з пристроїв, лінія
арбітра передає сигнал усім пристроям.
Щоб отримати доступ до магістралі,
пристрій спочатку перевіряє, чи магістраль
вільна, і чи встановлений сигнал арбітра
IN. Якщо ні, пристрій не може стати ведучим.
У цьому випадку він скидає сигнал OUT.
Якщо IN встановлений, пристрій також
скидає сигнал OUT, в результаті чого
наступний пристрій не отримає сигнал
IN і, в свою чергу, скидає сигнал OUT.
Отже, всі наступні у ланцюгу пристрої
не отримають сигнал IN
і скидають OUT.
В результаті залишається тільки один
пристрій, у якого сигнал IN
встановлений, а сигнал OUT
скинутий. Він стає ведучим пристроєм
магістралі, запускає лінію BUSY
і сигнал OUT,
і починає передачу даних.
Типи та призначення магістралей комп’ютера
Під магістраллю комп’ютера розуміють загальний канал зв’язку, котрий використовується для організації взаємодії між двома і більше компонентами системи. Комп’ютер має кілька типів шин. Основними з них є шина процесора, шини адреси, шина вводу/виводу. В комп’ютері реалізовано декілька типів шин. Є зовнішні та внутрішні магістралі. Внутрішні магістралі розміщені в самому процесорі.
Шина процессора шина, що з’єднує мікропроцесор (CPU) з декількома безпосередньо зв’язаними з ним мікросхемами. Шина процесора використовується в основному для передачі даних між процесором та основною системною шиною або між процесором і зовнішнім кешем.
Шина пам’яті призначена для передачі інформації між процесором і основною пам’яттю (RAM). Дана шина – це або продовження шини процесора, або незалежний набір спеціальних мікросхем для передачі інформації між процесором та пам’яттю. Системи, основані на процесорі з тактовою частотою вище 16 МГц. У всіх системах з тактовою частотою процесора вище 16 МГц для усунення невідповідностей між швидкою шиною процесора і повільною оперативною пам’яттю комп’ютера використовуються спеціальні мікросхеми
Шина введення/виведення забезпечує взаємодію процесора і периферійні пристроїв. Ця шина і під’єднані до неї роз’єми призначені для того, щоб комп’ютер міг виконувати всі подані запити. Основні типи шин введення виведення: шина ISA (Indastry Standart Architecture – промислова стандартна шина архітектура) – це 16-розрядна шина, працює на частоті 8 МГц; шина PCI (Peripheral Component Interconnect – шина взаємодії периферійних компонентів); шина AGP (прискорений графічний порт) – це 32-розрядна шина працює на частоті 66 МГц і призначена для під’єднання відеоадаптера.