39

двумя проводами – один называется запрос чтение, другой - запрос записи. Если по одному из них передается 1 бит информации, то производится соответствующая операция. Передача 1 сразу по двум проводам запрещена.

Основные характеристики памяти это ее объем в байтах и время доступа (запись/чтение в микро- и наносекундах (мкс и нс)). При этом под шириной доступа понимается объем считанной/записанной за одно обращение к памяти информации. Время доступа и ширина доступа определяют производительность операций с памятью ЭВМ.

8.3. Виды памяти.

Для работы с компьютером, в него нужно ввести информацию, которую он будет обрабатывать, т.е. загрузить его память - ЗУ.

Важной разновидностью ЗУ является оперативная память или ОЗУ. Именно здесь хранятся программа и данные, необходимые для немедленного решения каждой конкретной задачи. В любом компьютере ОЗУ обеспечивает гибкость его работы и быстродействие. Это быстрая память компьютера.

Реализуется ОЗУ по-разному. Существуют магнитные ОЗУ, состоящие из большого числа магнитных ферритовых колец, каждое из которых можно намагничивать в одном или в другом направлении и этим запоминается один бит информации. Сколько колец в таком ОЗУ, столько бит информации, оно может запомнить. Магнитные ОЗУ громоздки, им на смену пришли более быстрые и компактные, состоящие из большого числа триггеров - специальной схемы, способной запомнить один бит информации.

Существует еще сверхоперативная память (СВОП) для временного хранения промежуточных результатов. Она представляет собой набор электронных ячеек памяти – регистров, поэтому эту память еще называют регистровой. Регистр – это последовательность триггеров.

Другим видом запоминающего устройства в компьютере является

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое служит для хранения программ и данных, постоянно необходимых для работы компьютера. К числу таких программ относится, например, самая главная программа BIOS (Basic Input Output System), служащая для загрузки ОС. Их составляют заранее, а затем хранят в ПЗУ. Информация, хранящаяся в ПЗУ энергонезависима, т. е. она сохраняется после выключения компьютера. ПЗУ отличается тем, что позволяет только считывание записанной информации. Для того чтобы стереть или записать новую информацию в ПЗУ, необходимы специальные устройства

– праграмматоры и стиратели, а также время порядка 1 часа. Стирание осуществляется через специальное окошко в корпусе микросхемы, либо электрическим способом путем подачи повышенного напряжения на специальные входы программирования.

В 1989 году фирмой Intel была выпущена на рынок флэш-память - электронное стираемое программируемое ПЗУ. Флэш-память, обладая свойствами ПЗУ, в то же время, позволяет ее быстро перепрограммировать.

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) используется для записи новых программ и данных, с которыми будет работать

40

пользователь далее постоянно. Этот вид памяти занимает промежуточное место между ОЗУ и ПЗУ.

Еще один тип внутренней памяти ЭВМ, время доступа, к которой не более нескольких десятков наносекунд - это кэш-память. Этот вид памяти, ранее используемый только в супер-ЭВМ и мощных ПК, в настоящее время атрибут всех персональных компьютеров. Так, ПК Tulip 4/100 имеет кэшпамять объемом 256 Кбайт, что соответствует памяти ПК 80-х годов. Кэшпамять устанавливается на быстродействующих БИС и ее быстродействие должно соответствовать скорости работы АЛУ и УУ. Кэш-память используется для хранения наиболее часто используемых программ и данных, осуществляет своего рода связующий буфер между быстрыми устройствами ЦП и более медленной ОП и позволяет получать существенный временной выигрыш. Работу кеш-памяти можно описать следующим образом. Всякий раз, когда процессор намерен прочитать некоторый байт, сначала проводится анализ: есть ли байт с этим адресом в быстрой кэш-памяти? Если он там есть, то происходит чтение из кэш-памяти. Если нет, то байт копируется из основной памяти в кэшпамять и передается процессору. Таким образом, кэш-память повышает производительность компьютера.

Время доступа в наносекундах для современных ЭВМ следующее: СВОП - 5-15, Кэш - 10-50, ПЗУ - 30-200, ОП - 50-150.Естественно, развитие элементной базы постоянно корректирует эти цифры в сторону уменьшения.

Как и во всех вычислительных машинах, подсистема памяти персональных компьютеров имеет иерархическую структуру (рис.8.1).

В этой иерархии традиционно выделяются следующие уровни:

1) регистровая память (часто ее также называют местной памятью — МП, регистрами общего назначения — РОН или сверхоперативным запоминающим устройством СОЗУ.

Регистровую или местную память образуют регистры общего назначения процессора, большая часть которых доступна программисту и предназначена для хранения адресов, операндов и результатов выполнения операций. Программно недоступные регистры выполняют вспомогательные функции при выполнении ряда команд. Число РОНов обычно лежит в пределах 16-64. Но при небольшой емкости этот уровень памяти имеет самое высокое быстродействие — время доступа не превышает 5-7 нс (10 в минус 9 степени).

2) буферная память (кэш-память или просто кэш) Промежуточное положение между регистровой и основной оперативной памятью занимает кэш-память. Большинство современных микропроцессоров имеет двухуровневый кэш. Первый уровень — внутренний кэш — располагается на кристалле процессора и работает на его тактовой частоте; второй уровень — внешний кэш — устанавливается на системной плате и работает на частоте шины. Объем внутреннего кэша обычно составляет 1-16 Кбайт, а внешнего — от 64 Кбайт до 1 Мбайта, обычно 256 или 512 Кбайт.

41

Рис. 8.2 Структурная схема памяти персонального компьютера

3) основная оперативная память и постоянная память (ОП и ПЗУ, соответственно)

Следующий уровень иерархии занимает оперативная память. Ее размер в современных ПК составляет от 1 до 512 Мбайт и больше, а время доступа — от 70 до 200 нс. По организации и методу доступа постоянная память ничем не отличается от оперативной, поэтому ее относят к этому же иерархическому уровню. Объем ПЗУ редко превышает 64-128 Кбайт. Используется она в основном для хранения редко изменяющейся информации, например, программ базовой системы ввода-вывода (Basic Input/Output System—BIOS).

Размер оперативной памяти, установленной на вашем компьютере, можно определить в начальный момент его загрузки, при ее тестировании, если эта опция установлена в BIOS. Размер оперативной памяти можно также определить, открыв Мой компьютер — Панель управления — Система и на вкладке Общие появится нужная вам информация. Следует отметить, что тип компьютера Windows 95 определяет неправильно.

42

Оперативная память большой емкости, как известно, может быть построена на микросхемах памяти двух типов: динамического и статического. Ячейка динамической памяти по сути представляет собой конденсатор, образованный структурой полупроводникового кристалла. Зарядка этого конденсатора до некоторого уровня напряжения соответствует переходу ячейки в состояние 1, а разрядка до величины, близкой к нулю, означает переход в состояние 0. Поскольку процессы зарядки и разрядки емкости требуют немалого времени, то это является одной из причин ограниченного быстродействия этого типа памяти. Кроме того, время хранения заряда конденсатором ограничено, так как сопротивление изоляции между его обкладками конечно и, следовательно, всегда присутствуют паразитные токи утечки, которые и приводят к его разрядке. Поэтому, чтобы избежать потери данных, записанных в ячейку, необходимо восстановление в ней информации. Эта процедура выполняется в специальных циклах, получивших название циклов регенерации. Необходимость восстановления информации — один из основных недостатков динамической памяти, так как этот процесс требует не только времени, но и дополнительного оборудования.

Память статическою типа строится на элементах памяти с двумя устойчивыми состояниями — триггерах. Поскольку переход триггера из одного состояния в другое возможен только в случае подачи сигнала на соответствующий установочный вход, то отпадает необходимость в регенерации информации, что существенно упрощает управление памятью. Помимо прочего, переход триггера из одного состояния в другое происходит за время существенно меньшее, чем зарядка/разрядка конденсатора, выполняющего роль элемента памяти в микросхемах динамического типа. Вместе с тем статической памяти присущи и недостатки, ограничивающие ее использование при построении запоминающих устройств большой емкости. Во-первых, по сравнению с динамической памятью, она потребляет большую мощность, так как для реализации одной ячейки требуется большее количество электронных компонентов (ячейку памяти динамического типа можно реализовать на одном транзисторе, а статического типа — как минимум на четырех). Во-вторых, она существенно дороже и при одинаковой степени интеграции с динамической памятью обладает существенно меньшей информационной емкостью. Поэтому оперативная память современных компьютеров строится, в основном, на микросхемах памяти динамического типа.

4) внешняя память Верхний уровень структуры занимает внешняя память. Она реализуется в

виде различных накопителей со сменными и несменными носителями (накопители на жестких и гибких магнитных дисках, стримеры, накопители на оптических дисках и т.д.). Эта память самая медленная, но самая большая по объему, в частности, информационная емкость накопителей на жестких дисках достигает нескольких десятков гигабайт. По этой причине ее иногда называют массовой.

43

Зачем нужен кэш. Реализация оперативной памяти на микросхемах динамического типа обеспечивает достаточно большую информационную емкость, но низкое быстродействие, поскольку время выборки для них лежит в пределах 70-200 не.

Тактовые частоты современных микропроцессоров давно перешли рубеж 1 ГГц, и нетрудно сделать вывод о том, что низкое быстродействие основной оперативной памяти стало одним из основных сдерживающих факторов повышения производительности персональных компьютеров. И действительно, даже при времени выборки из памяти, равном 70 нс, считать из нее информацию за один цикл работы шины не представляется возможным. Следовательно, для согласования скорости работы процессора и памяти необходимо вводить дополнительные циклы ожидания, а это ведет к резкому снижению производительности системы. Реализация основной памяти на быстрых микросхемах статического типа приведет к существенному удорожанию системы и снижению ряда ее эксплуатационных характеристик

(увеличению габаритных размеров, веса, росту потребляемой мощности и т.д.). Однако проблема может быть решена, если между медленной оперативной памятью и быстрым процессором поставить буферную память относительно небольшой емкости, но с возможностью работы на тактовой частоте цен трального процессора. Такая память получила название кэш-памяти, и предназначена она для согласования скорости работы процессора и основной памяти системы.

Кэш используется не только для обмена данными между центральным процессором и оперативной памятью, но также между оперативной памятью и внешними накопителями.

Воснову работы кэш-памяти положен принцип локальности программ. Суть этого принципа заключается в следующем. Поскольку обращения к памяти носят не случайный характер, а выполняются в соответствии с исполняемой программой, то при считывании данных из памяти с высокой степенью вероятности можно предположить, что в ближайшем будущем она опять обратится к этим данным (принцип временной локальности). Кроме того, весьма вероятно и то, что в ближайшем будущем программа обратится к ячейке, которая следует за той, к которой она обращается в текущий момент времени (принцип пространственной локальности).

Всоответствии с принципом временной локальности информацию в буфере целесообразно хранить в течение некоторого времени, а принцип пространственной локальности предполагает считывание в кэш нескольких соседних ячеек памяти, то есть блока информации. Каждый блок хранится в строке буфера, а набор таких строк и составляет кэш-память.

Таким образом, информация из основной памяти загружается в кэш блоками по 2-4 слова и хранится в нем в течение некоторого времени. При обращении центрального процессора к оперативной памяти сначала проверяется наличие запрашиваемых данных в буфере, и, если их там не оказывается, осуществляется загрузка в кэш информационного блока из оперативной памяти. Следовательно, при правильной организации алгоритма

44

работы буфера можно добиться того, что в подавляющем большинстве случаев процессор будет обращаться к нему, а не к более медленной оперативной памяти, что существенно повысит производительность системы.

Виды оперативной памяти Оперативную память условно можно разделить на четыре вида:

1. Обычная (стандартная) — Conventional.

Иногда ее называют нижняя память. Она простирается от 0 до 640 Кб. Стандартная память—это та самая память, с которой собственно и работает компьютер. Ее общий размер и остаток после загрузки драйверов мы видим, когда нажимаем комбинацию клавиш Ctrl+L в Norton Commander или в FAR. Это та память, которой, как правило, не хватает ПК для работы с некоторыми программами, и ПК информирует пользователя о нехватке памяти.

2. Верхняя (Upper) — очень важный вид памяти. Она простирается от 640 Кб до 1 Мб и равна 384 Кб.

(1024 Кб – 640 Кб = 384 Кб)

Часть этой памяти используется видеоадаптером, контроллером жесткого диска, BIOS и другими устройствами, с которыми активно работает процессор. При этом в верхней памяти остаются незанятые участи. Программно можно создать так называемые блоки верхней памяти, куда можно загрузить часть драйверов устройств и — главное — организовать связь процессора

сДополнительной памятью.

3.Дополнительная {extended) — эта память очень нужна для

нормальной работы не только Windows, но и всего компьютера.

Ее размеры в принципе не ограничены: от нескольких мегабайт до десятков Гб. Собственно дополнительная память — это та самая память, про которую мы говорим оперативная память, правда, за минусом стандартной памяти.

Т.е., ДП = ОП – СтП.

Дополнительная память обеспечивается драйвером HI-MEM. SYS. Иногда этот вид памяти называют расширенной памятью.

Для эффективной работы Windows в расширенном режиме требуется не менее 16 Мбайт ОЗУ (а лучше 32 Мбайт).

Спецификация дополнительной памяти (XMS), т.е. порядок, условия и т.п., определяет правила организации и доступа к этому виду памяти. Поэтому иногда дополнительную память называют XMS-память (extended memory specification).

4.Высокая —от 1 Мб до 1 Мб 64 Кб минус 16 байт—используется для внутренних нужд компьютера.Необходимо отметить еще два вида памяти, представленной в компьютере.

5.Отображаемая (Expanded) — часть дополнительной памяти, доступ к

этой памяти неудобен и требует достаточно много времени. Большинство программ и Windows не используют эту память.

Для эмуляции отображаемой памяти (т.е. создания, возможности обращаться к ней) и управления верхней памятью была создана так называемая спецификация отображаемой памяти — EMS — позволяющая программам MS-

45

DOS иметь доступ к адресам памяти за пределами 640 Кб. Для этого был создан специальный драйвер LMM386.EXE.

6. Виртуальная — существует только в Windows. Heпутать с виртуальным логическим диском, который создается за счет дополнительной памяти и который существует пока включен компьютер. Размер виртуальной памяти, используемой Windows, составляет несколько десятков мегабайт.

Управление памятью компьютера и ее конфигурирование осуществляется с помощью двух файлов: config.sys и autoexec.bat).

Для просмотра загрузки оперативной памяти (и стандартной, как части оперативной памяти) можно воспользоваться специальной утилитой mem.exe, находящейся в папке Windows\Command. Запускается программа двойным щелчком мыши, при этом Windows входит в режим сеанса MS-Dos.

Программа показывает полную раскладку всех видов оперативной памяти, все драйверы и объемы памяти, ими занимаемые. Такая информация очень полезна при оптимизации памяти компьютера, а часто и для ответа на вопрос «Куда делась память?».

Как известно, Windows работает в так называемом защищенном режиме. В этой связи для нас особый интерес представляют три режима работы микропроцессора—реальный, защищенный и режим виртуального микропроцессора i8086. В первом обеспечивалась совместимость на уровне объектных кодов с устройствами i8086 и i80286, работающими в реальном режиме. Одно из основных ограничений реального режима было связано с предельным объемом адресуемой памяти, равным / Мбайт. От него свободен защищенный режим, позволяющий воспользоваться всеми преимуществами архитектуры нового процессора. Размер адресного пространства в этом случае увеличивался до 4 Гбайт. Системы защищенного режима обладают более высоким быстродействием и возможностями организации истинной многозадачности.

Наконец, режим виртуального МП открывает возможность одновременного исполнения ОС и прикладных программ, написанных для МП J8086, i80286 и 80386. Поскольку объем памяти, адресуемой 386-м процессором, не ограничен значением 1 Мбайт, он позволял формировать несколько виртуальных сред I8086.

Компьютеры с процессором i80386/486 и выше могут адресовать до 4 Гбайт оперативной памяти. Такая возможность появляется только при защищенном режиме работы процессора (protected mode), который операционная система MS-DOS не поддерживает. Расширенная (extended) память располагается выше области адресов 1 Мбайт. Для работы с extendedпамятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. Современные микропроцессоры выполняют эту операцию достаточно легко. При наличии соответствующего программного драйвера расширенную память можно эмулировать как дополнительную.