125 Кібербезпека / Магістр (вступні питання)
.pdf
10. Структурна схема процесора
Структурна схема ЦП зображена на малюнку.
Всі функціональні засоби за своєю структурою поділяються на такі пристрої:
¨Центральний пристрій управління;
¨Арифметико-логічний пристрій;
¨Пристрій управління пам'яттю;
¨запам'ятовуючим пристрій;
¨Пристрій попередньої вибірки команд і даних;
¨Інтерфейс магістралі.
Центральний пристрій управління (ЦУУ) включає дешифратор команд,
блок управління і блок переривань.
Дешифратор команд дешифрирует (декодує) команди, які надходять з блоку попередньої вибірки.
Блок управління (БУ) формує послідовності керуючих сигналів, які надходять на всі блоки процесора, що забезпечують виконання поточної команди і перехід до виконання наступного.
Блок переривання забезпечує реакцію ЕОМ на запити переривань від різних джерел (пристроїв) всередині і поза ЦП.
Арифметико-логічний пристрій (АЛП) виконує всі арифметичні і логічні операції ЕОМ. До складу пристрою входять:
-суматори,
-буферні і робочі регістри,
-спеціалізовані апаратні засоби (блок прискореного множення),
-власний блок управління (іноді).
У багатьох сучасних процесорах операції з плаваючою точкою виконуються в окремому блоці, який має власні регістри даних, регістри управління і працює паралельно з блоком операцій з фіксованою точкою.
Сверхоператівное пристрій (СОЗУ) - (реєстровий файл) містить регістри загального призначення, в яких зберігаються дані і адреси.
Пристрій передвибірки команд і даних включає блок передвибірки команд і внутрішню кеш-пам'ять процесора (кеш першого рівня).
Блок передвибірки команд здійснює формування черги команд, причому вибірка з пам'яті здійснюється в проміжках між магістральними циклами команд.
У внутрішній кеш-пам'яті здійснюється буферизація часто використовуваних команд і даних. Завдяки цьому істотно підвищується продуктивність процесора, скорочується число звернень до ОП.
Пристрій управління пам'яттю (диспетчер пам'яті) призначене для сполучення ЦП і підсистеми введення / Виведення з ОП. Воно складається з блоку сегментації і блоку сторінкової адресації, які здійснюють двоступенева формування фізичної адреси осередку пам'яті: спочатку в межах сегмента, а
потім в межах сторінки.
Наявність двох цих блоків, їх паралельне функціонування забезпечують максимальну гнучкість проектованої системи.
Сегментація корисна для організації пам'яті локальних модулів і є інструментом програміста, в той час як сторінки дозволяють системному програмісту ефективно використовувати фізичну пам'ять ЕОМ.
Інтерфейс магістраліреалізует протоколи обміну (зв'язок за певними правилами) ЦП з пам'яттю, каналами (контролерами) введення / виводу і іншими активними пристроями системи ЕОМ. Обмін здійснюється за допомогою шин даних, адреси і управління.
В сучасних суперскалярні процесорах може використовуватися від 2 до
6 паралельно працюючих виконавчих пристроїв. Це можуть бути:
¨кілька цілочисельних пристроїв;
¨пристрій плаваючою точки (блок FPU);
¨пристрій виконання переходів;
¨пристрій завантаження / запису.
Пристрій виконання переходів обробляє команди умовних переходів.
Якщо умови переходу доступні, то рішення про направлення переходу приймається негайно, в іншому випадку виконання наступних команд триває за припущенням (спекулятивно).
Пересилання даних між кеш-пам'яттю даних, з одного боку, і регістрами загального призначення і регістрами плаваючою точки, з іншого, обробляються пристроєм завантаження / запису.
11. Загальна схема побудови пам’яті
Внутрішня пам'ять призначена для зберігання відносно невеликих обсягів інформації при її обробці мікропроцесором. Зовнішня пам'ять призначена для тривалого зберігання великих обсягів інформації незалежно від того ввімкнено чи вимкнено комп'ютер.
12.Ієрархічна побудова пам’яті сучасних ПК
Убільшості сучасних ПК розглядається наступна ієрархія пам'яті:
Регістри процесора, організовані в регістровий файл — найбільш швидкий доступ (близько 1 такту), але розміром лише в декілька сотень або,
рідко, тисяч байт.
Кеш процесора 1го рівня (L1) — час доступу порядку декількох тактів,
розміром в десятки кілобайт.
Кеш процесора 2го рівня (L2) — більший час доступу (від 2 до 10 разів повільніше L1), близько половини мегабайта або більше.
Кеш процесора третього рівня (L3) — час доступу близько сотні тактів,
розміром в декілька мегабайт (у масових процесорах використовується з недавнього часу).
ОЗП системи — час доступу від сотень до, можливо, тисячі тактів, але величезні розміри в кілька гігабайт, аж до десятків. Час доступу до оперативної пам'яті може змінюватись для різних його частин у випадку комплексів класу
NUMA (з неоднорідним доступом в пам'ять).
Дискове сховище — багато мільйонів тактів, якщо дані не були розміщені у кеші або буфері заздалегідь, розміри до декількох терабайт.
Третинна пам'ять — затримки до декількох секунд або хвилин, але практично необмежені обсяги (стрічкові бібліотеки).
13. Типи пам’яті
Типи пам‘яті можна поділити на два підтипи: внутрішня і зовнішня пам‘ять.
Внутрішня пам'ять комп'ютера.
У пам'яті комп'ютера зберігаються програми й оброблювана інформація.
Основними характеристиками різних типів і пристроїв пам'яті є їхні обсяг і швидкодія.
Усю пам'ять комп'ютера за особливостями організації та використання можна поділити на внутрішню (основну) пам'ять, регістри процесора і зовнішню пам'ять.
ROM – це енергонезалежна пам‘ять, яка використовується для зберігання даних, що не потребуть зміни. Найважливішою мікросхемою є модуль BIOS;
Кеш-пам‘ять - це невелика за розміром буферна пам'ять, яка дозволяє пришвидшувати процеси обміну даними між МП і ОП за рахунок значно меншого, ніж до ОП, часу доступу до даних та розташування в ній даних, які найчастіше використовуються;
Оперативна пам‘ять – швидкодіюча пам'ять, призначена для запису,
зберігання та читання інформації у процесі її обробки.
Відеопам‘ять – внутрішня оперативна пам'ять графічного контролера, в
якій розміщені дані, що відповідають зображенню на екрані. Відеопам'ять може бути виділена з основної оперативної пам'яті системи, в цьому випадку говорять про розділювану (shared) пам'ять.
Зовнішня пам'ять (ВЗП) призначена для тривалого зберігання програм і даних, і цілісність її вмісту не залежить від того, включений або вимкнений комп'ютер.
До складу зовнішньої пам'яті комп'ютера входять: накопичувачі на жорстких магнітних дисках; накопичувачі на гнучких магнітних дисках;
накопичувачі на компакт-дисках; накопичувачі на магнітооптичних компакт-
дисках; накопичувачі на магнітній стрічці (стримери), флеш і ін.
14. Оперативна пам’ять, особливості її будови та роботи
Оперативна пам‘ять – пам'ять ЕОМ, призначена для зберігання коду та даних програм під час їх виконання. У сучасних комп'ютерах оперативна пам'ять переважно представлена динамічною пам'яттю з довільним доступом
DRAM.
В залежності від стандарту пам‘яті існують різні будови оперативної пам‘яті.
DIMM (англ. Dual In-line Memory Module, двосторонній модуль пам'яті) -
форм-фактор модулів пам'яті DRAM. Даний форм-фактор прийшов на зміну форм-фактору SIMM. Основною відмінністю DIMM від попередника є те, що контакти, розташовані на різних сторонах модуля, є незалежними, на відміну від SIMM, де симетричні контакти, розташовані на різних сторонах модуля,
замкнуті між собою і передають одні й ті ж сигнали. Крім того, DIMM реалізує функцію виявлення та виправлення помилок в 64 (без контролю парності) або
72 (з контролем по парності або коду ECC) лініях передачі даних, на відміну від
SIMM c 32 лініями.
SODIMM (Small Outline DIMM) - це спеціальні модулі для портативних комп'ютерів, що відрізняються зменшеним розміром.
Хоча в портативних ПК застосовуються ті ж мікросхеми пам'яті, що і в настільних, конструкція модулів пам'яті для ноутбуків відрізняється (цей тип модулів пам'яті використовується також і в комунікаційному устаткуванні, де їх габарити важливі); на всі сучасні ноутбуки встановлюються модулі формату
SODIMM.
SDRAM (англ. Synchronous Dynamic Random Access Memory —
синхронна динамічна пам'ять з довільним доступом) — тип запам'ятовуючого
пристрою, що використовується в комп'ютерній техніці. Найпоширенішим стандартом пам'яті SDRAM є DDR.
DDR SDRAM
DDR (від англ. Double Data Rate — подвійна швидкість передачі даних)
— один з типів оперативної пам'яті, які використовуються в комп'ютерах.
Технологія DDR SDRAM дозволяє передавати дані по обох фронтах кожного тактового імпульсу, що дозволяє подвоїти пропускну здатність пам'яті.
DDR2 SDRAM (от англ. double-data-rate two synchronous dynamic random access memory — подвоєна швидкість передачі даних синхронної пам'яті з довільним доступом) — це тип оперативної пам'яті використовуваної в комп'ютерах.
Основна відмінність DDR2 від DDR — удвічі більша частота роботи зовнішньої шини, по якій дані передаються в буфер мікросхеми пам'яті. При цьому робота самого чипа залишилася такою ж, як і у просто DDR, тобто з такими ж затримками, але при більшій швидкості передачі інформації. При порівнянні роботи мікросхем DDR та DDR2 на однаковій тактовій частоті
DDR2 матиме удвічі більші затримки й загальна продуктивність буде гіршою.
DDR2 не є зворотно сумісною з DDR, кількість контактів більша (240
проти 184 у DDR), тому ключ на модулях DDR2 розташований в іншому місці в порівнянні з DDR і вставити модуль DDR2 у роз'єм DDR, без пошкодження останнього, неможливо.
Напруга електричного живлення в DDR2 1.8 В на відміну від модулів
DDR — 2.5 В, внаслідок чого пам‘ять має менше енергоспоживання і тепловиділення. Основною архітектурною відмінністю пам'яті DDR2 є
можливість передачі чотирьох блоків даних за такт замість двох, як це було у випадку DDR.
Затримки при записі теж перетерпіли зміни: якщо звичайна пам'ять DDR
може записувати дані відразу ж через такт після команди запису, у випадку
DDR2 це неможливо через більш високі тактові частоти. Тому затримка запису вираховується по затримці читання шляхом вирахування одного такту.
Особливо це актуально при асинхронній роботі (типовий випадок, коли пам'ять
DDR2-533 використається на платформі із частотою системної шини 800 МГц)
в одно канальному режимі.
DDR3 SDRAM (англ. double-data-rate three synchronous dynamic random access memory - синхронна динамічна пам'ять з довільним доступом та подвоєною швидкістю передачі даних, третє покоління) - це тип оперативної пам'яті, використовуваної в обчислювальній техніці в якості оперативної і відеопам'яті. Прийшла на зміну пам'яті типу DDR2 SDRAM.
У DDR3 зменшено на 15% (точний відсоток) споживання енергії в порівнянні з модулями DDR2, що обумовлено зниженим (1,5 В, в порівнянні з
1,8 В для DDR2 і 2,5 В для DDR ) напругою живлення комірок пам'яті.
Зниження напруги живлення досягається за рахунок використання 90-нм
(спочатку, надалі 65 -, 50 -, 40-нм) техпроцесса при виробництві мікросхем та застосування транзисторів з подвійним затвором Dual-gate (що сприяє зниження струмів витоку).
Сумісність: Модулі DIMM з пам'яттю DDR3, що мають 240 контактів, не сумісні з модулями пам'яті DDR2 схемотехнічно та механічно. Ключ розташований в іншому місці, тому модулі DDR3 не можуть бути встановлені в слоти DDR2, зроблено це з метою запобігання помилкової установки одних модулів замість інших і їх можливого пошкодження внаслідок неспівпадання електричних параметрів.
У перехідний період виробники випускали материнські плати, які підтримували установку і модулів DDR2, і DDR3, маючи відповідні роз'єми
(слоти) під кожен з двох типів, але одночасна робота модулів різних типів не допускалася.
DDR4 SDRAM (англ. double-data-rate fourth generation synchronous dynamic random access memory) — новий тип оперативної пам'яті, що є еволюційним розвитком попередніх поколінь DDR (DDR, DDR2, DDR3).
Відрізняється підвищеними частотними характеристиками і зниженою напругою. Основна відмінність DDR4 полягає у подвоєному до 16 числі банків,
що дозволило вдвічі збільшити швидкість передачі — до 3,2 Гбіт / с. Пропускна здатність пам'яті DDR4 досягає 34,1 ГБ/c (у разі максимальної ефективної
частоти 4266 МГц, визначеної специфікаціями). Крім того, підвищена надійність роботи за рахунок введення механізму контролю парності на шинах адреси і команд. Підтримує ефективні частоти від 1600 до 4266 МГц. У січні
2011 року компанія Samsung офіційно представила нові модулі, що працюють в режимі DDR4-2133 при напрузі 1,2 В.
Несумісна з попередніми типами пам'яті.
15. Флеш-пам’ять
Флеш-пам‘ять – це тип довготривалої комп‘ютерної пам‘яті, вміст якої можна видалити чи перепрограмувати електричним методом. Використовується в найрізноманітніших цифрових пристроях. Представляє собою твердотільний напівпровідниковий пристрій, який не вимагає додаткової енергії для зберігання даних, тобто при виключенні живлення інформація зберігається.
Дані з флеш-носія можна скільки завгодно раз рахувати та обмежену кількість раз перезаписати. Пов‘язано з тим, що перезапис йде через стирання, що призводить до зносу мікросхеми. Сучасна флеш-пам‘ять дозволяє замінювати вміст осередків від 10 тис. до 1 млн. разів. За оцінками виробників флеш-
мікросхеми можуть зберігати інформацію від 20 до 100 років. Також у флеш-
накопичувачах немає рухомих частин. Це істотно знизило споживання енергії при записі, а також у 5-10 разів у порівнянні з жорсткими дисками збільшило механічне навантаження, яку здатне витримувати пристрій пам'яті.
16. Зовнішня пам’ять: гнучкі і жорсткі диски, оптичні диски
Зовнішня пам'ять (англ. external memory або англ. auxiliary memory) -
це комп'ютерна пам'ять, що реалізована у вигляді зовнішніх,
відносно материнської плати, пристроїв із різними принципами збереження інформації і типами носія, призначених для довготривалого зберігання інформації. Зокрема, в зовнішній пам'яті зберігається все програмне забезпечення комп'ютера. Пристрої зовнішньої пам'яті можуть розміщуватись як в системному блоці комп'ютера так і в окремих корпусах. Фізично зовнішня пам'ять реалізована у вигляді накопичувачів. Накопичувачі - це запам'ятовуючі
пристрої, призначені для тривалого (що не залежить від електроживлення)
зберігання великих обсягів інформації. Ємність накопичувачів в сотні разів перевищує ємність оперативної пам'яті або взагалі необмежена, якщо мова йде про накопичувачі зі змінними носіями.
Гнучкий диск (англ. Floppy disk) — портативний носій інформації, який використовується для багаторазового запису та зберігання даних, що являє собою поміщений в захисний пластиковий корпус (диск діаметром 3½ має жорсткіший футляр, ніж диск діаметром 5¼) гнучкий магнітний диск,
покритий феромагнітним шаром.
(англ. Hard (magnetic) disk drive, англ. HDD),
у комп'ютерному сленгу — «вінчестер» (від англ. winchester) — магнітний
диск, основа якого виконана з твердого матеріалу. У більшості ЕОМ виконує
функцію енергонезалежного носія інформації (комп'ютерної пам'яті чи
нагромаджувача інформації) з довільним доступом (англ. random access).
Опти́чний диск — носій даних у вигляді пластикового чи алюмінієвого диска, призначеного для запису й відтворення звуку, зображення, буквенно-
цифрової інформації тощо за допомогою лазерного променя. Щільність запису — понад 108 біт/см.
17. Конфігурація комп’ютера
Персональний комп‘ютер – це універсальна технічна система. Його конфігурацію можна легко змінювати за необхідності.
Конфігурація – це сукупність основних і додаткових вузлів та пристроїв, що входять до складу ПК, а також їхні параметри.