Семинар1 (Семинары)

9

тема: ОСОБЕННОСТИ ПАМЯТИ IBM PC

Вопросы:

1.Виды памяти IBM PC

2. Характеристики электронной памяти

3. Распределение памяти IBM PC

Литература:

1 вопрос: [1] стр. … ;

2 вопрос: [1] стр. … ;

3 вопрос: [1] стр. … .

1.Виды памяти IBM PC

Электронная память применяется практически во всех подсистемах PC.

Оперативная (основная) память (Main Memory) является одним из «трех китов», на которых держится «компьютерный мир» (процессор, память и периферийные устройства).

Оперативная память компьютера используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью (например, дисковой) и периферийными подсистемами (графика, ввод/вывод, коммуникации и т. п.). Ее другое название - ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) - примерно соответствует английскому термину RAM (Random Access Memory) - память с произвольным доступом. Произвольность доступа подразумевает возможность операций записи или чтения с любой ячейкой ОЗУ в произвольном порядке.

Требования, предъявляемые к основной памяти:

• большой (для электронной памяти) объем, исчисляемый единицами, десятками и даже сотнями мегабайт;

• быстродействие и производительность, позволяющие реализовать вычислительную мощность современных процессоров;

• высокая надежность хранения данных - ошибка даже в одном бите в принципе может привести и к ошибкам вычислений, и к искажению и потере данных, иногда и на внешних носителях.

Кэш-память (Cache Memory) - сверхоперативная память (СОЗУ), является буфером между ОЗУ и его «клиентами» - процессором (одним или несколькими) и другими абонентами системной шины. Кэш-память не является самостоятельным хранилищем; информация в ней неадресуема клиентами подсистемы памяти, присутствие кэша для них «прозрачно». Кэш хранит копии блоков данных тех областей ОЗУ, к которым происходили последние обращения, и весьма вероятное последующее обращение к тем же данным будет обслужено кэшпамятью существенно быстрее, чем оперативной памятью. От эффективности алгоритма кэширования зависит вероятность нахождения затребованных данных в кэш-памяти и, следовательно, выигрыш в производительности памяти и компьютера в целом.

Кэш в современных компьютерах строится по двухуровневой схеме:

• первичный кэш, или L1 Cache (Level I Cache) - кэш 1 уровня, внутренний (Internal, Integrated) кэш процессоров класса 486 и старше, а также некоторых моделей 386.

• вторичный кэш, или L2 Cache (Level 2 Cache) - кэш 2 уровня. Обычно это внешний (External) кэш, установленный на системной плате. В Pentium Pro и Pentium II вторичный кеш расположен в одном корпусе с процессором. Дополнительный кэш на системную плату уже не устанавливается. Кэш, установленный на системной плате компьютера с процессором 386, не имеющем внутреннего кэша, является первичным (и единственным).

Постоянная память используется для энергонезависимого хранения системной информации - BIOS, таблиц знакогенераторов и т. п. Эта память при обычной работе компьютера только считывается, а запись в нее (часто называемая программированием) осуществляется специальными устройствами - программаторами. Отсюда и ее название - ROM (Read Only Memory - память только для чтения) или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Требуемый объем памяти этого типа невелик - например, BIOS PC/XT помещалась в 8 Кбайт, в современных компьютерах типовое значение - 128 Кбайт. Быстродействие постоянной памяти обычно ниже, чем оперативной. С этим фактом приходится мириться, а для повышения производительности содержимое ROM копируется в ОЗУ, и при работе используется только эта копия -теневая память (Shadow ROM). В последние годы постоянную память стала вытеснять энергонезависимая память (EEPROM и флэш-память), запись в которую возможна и в самом компьютере в специальном режиме работы.

Полупостоянная память в основном используется для хранения информации о конфигурации компьютера. Традиционная память конфигурации вместе с часами-календарем (CMOS Memory и CMOS RTC) имеет объем несколько десятков байт, ESCD - (Extended Static Configuration Data) область энергонезависимой памяти, используемая для конфигурирования устройств Plug and Play - имеет объем несколько килобайт. Сохранность данных полупостоянной памяти при отключении питания компьютера обеспечивается маломощной внутренней батарейкой или аккумулятором. В качестве полупостоянной применяется и энергонезависимая память - NV RAM (Non-Volatile RAM), которая хранит информацию и при отсутствии питания.

Буферная память различных адаптеров (коммуникационных, дисковых и пр.) обычно является разделяемой между процессором (точнее, абонентами системной шины) и контроллерами устройств. К этой памяти относятся и 16-байтные FIFO-буферы СОМ-портов, и 16-мегабайтные (и более) кэш-буферы высокопроизводительных SCSI-адаптеров.

Специфическим примером буферной памяти является видеопамять дисплейного адаптера, которая используется для построения растрового изображения и его постоянного циклического вывода на монитор (регенерации изображения). Необходимый объем определяется видеорежимом и типом графического адаптера, для текстового режима MDA было достаточно 4 Кбайт, SVGA в режимах высокого разрешения требует нескольких мегабайт видеопамяти. Специфика работы видеопамяти заключается в необходимости обращения к ней со стороны центрального процессора или графического акселератора одновременно с непрерывным процессом регенерации изображения.

Электронная память применяется и в качестве внешней памяти - накопителях Flash Drive для блокнотных ПК и автономных контроллеров. Широкому распространению этих сверхбыстродействующих «дисков» препятствует очень высокая на сегодняшний день стоимость хранения информации.

В зависимости от требований конкретной подсистемы эта память реализуется на микросхемах с различными принципами хранения информации.

2. Характеристики электронной памяти

Быстродействие памяти определяется временем выполнения операций записи или считывания данных. Основными параметрами любых элементов памяти является минимальное время доступа и длительность цикла обращения. Время доступа (access time) определяется как задержка появления действительных данных на выходе памяти относительно начала цикла чтения. Длительность цикла определяется как минимальный период следующих друг за другом обращений к памяти, причем циклы чтения и записи могут требовать различных затрат времени. В цикл обращения кроме активной фазы самого доступа входит и фаза восстановления (возврата памяти к исходному состоянию), которая соизмерима по времени с активной. Временные характеристики самих запоминающих элементов определяются их принципом действия и используемой технологией изготовления.

Производительность памяти можно характеризовать как скорость потока записываемых или считываемых данных и измерять в мегабайтах в секунду. Производительность подсистемы памяти наравне с производительностью процессора существенным образом определяет производительность компьютера. Выполняя определенный фрагмент программы, процессору придется, во-первых, загрузить из памяти соответствующий программный код, а во-вторых, произвести требуемые обмены данными, и чем меньше времени потребуется подсистеме памяти на обеспечение этих операций, тем лучше.

Производительность подсистемы памяти зависит от типа и быстродействия применяемых запоминающих элементов, разрядности шины памяти и некоторых «хитростей» архитектуры.

Разрядность шины памяти - это количество байт (или бит), с которыми операция чтения или записи может быть выполнена одновременно.

Разрядность основной памяти обычно согласуется с разрядностью внешней шины процессора (1 байт - для 8088; 2 байта - для 8086, 80286, 386SX; 4 байта - для 386DX, 486; 8 байт - для Pentium и старше). Вполне очевидно, что при одинаковом быстродействии микросхем или модулей памяти производительность блока с большей разрядностью будет выше, чем у малоразрядного. Именно с целью повышения производительности у 32-битного (по внутренним регистрам) процессора Pentium внешняя шина, связывающая его с памятью, имеет разрядность 64 бита. Желание производителей процессоров и системных плат сэкономить на разрядности памяти всегда приводит к снижению производительности: компьютеры на процессорах с полноразрядной шиной (8086, 386DX) более чем на 50% обгоняют своих «младших братьев» (8088, 386SX) при одинаковой тактовой частоте. В то же время существуют чипсеты, работающие с 32-битной памятью даже для Pentium, но при нынешних ценах на память эффективность подобной экономии сомнительна.

Банком памяти называют комплект микросхем или модулей (а также их посадочных мест - «кроваток» для микросхем, слотов для SIMM или DIMM), обеспечивающий требуемую для данной системы разрядность хранимых данных. Работоспособным может быть только полностью заполненный банк. Внутри одного банка практически всегда должны применяться одинаковые (по типу и объему) элементы памяти.

Банк памяти для 386SX обычно состоит из пары «коротких» (32-pin) SIMM или набирается DIP-микросхемами, для 386DX - из четырех 32-pin SIMM. В компьютерах на 486-х процессорах банком является один «длинный» (72-pin) SIMM, на старых платах бывает возможность набора банка четверкой 32-pin SIMM (иногда их установка не допускает использования одного из 72-pin SIMM). В компьютерах на процессоре Pentium и старше банком является пара 72-pin SIMM или один модуль DIMM. На некоторых платах базовый объем памяти (один банк) может быть запаян на системную плату.

В процессорах 486 и старше для повышения производительности обмена данными с последовательно расположенными ячейками памяти введен так называемый пакетный цикл обмена - Burst Cycle. Обычный цикл обмена имеет фазу адреса и фазу данных. Пакетный цикл предназначен для последовательного обмена обычно с четырьмя соседними элементами (байт, слово, двойное слово, ...) памяти. При этом фаза адреса существует только в начале цикла, а следующие три передачи идут без нее, подразумевая автоматическое изменение адреса по определенным правилам. Забота об эффективном применении этих циклов (вне зависимости от программного кода) лежит на аппаратных узлах процессора, активно использующих внутренний кэш (LI Cache). Указанием длительности пакетного цикла чтения (измеренной в тактах системной шины) характеризуется производительность как основной памяти, так и кэша второго уровня. Обозначение вида 5-3-3-3 для диаграммы пакетного цикла чтения соответствует 5 тактам на считывание первого элемента в цикле и 3 тактам на считывание каждого из трех последующих элементов. При этом существенно значение тактовой частоты, на которой обеспечивается данный цикл (повышение тактовой частоты шины эквивалентно сокращению длительности тактов и может потребовать применения более быстродействующих микросхем памяти).

Достоверность хранения данных является еще одной характеристикой памяти.

В любой из многих миллионов ячеек памяти возможен случайный сбой или окончательный отказ, приводящий к ошибке. Вероятность ошибки, естественно, возрастает с увеличением объема памяти. Современные технологии позволяют выпускать высоконадежные микросхемы памяти, у которых при корректной эксплуатации (напряжение питания, температура, временная диаграмма, уровни сигналов, нагрузка на выходные шины) вероятность ошибки достаточно мала, но все-таки не нулевая.

Отказ ячейки памяти - потеря ее работоспособности, обычно требующая замены элемента памяти. Отказ может быть устойчивым, но возможно и самопроизвольное восстановление работоспособности, например, после повторного включения питания. Часто причиной отказов является неисправность контакта или нарушение условий эксплуатации.

Случайный сбои может произойти и в исправной микросхеме памяти, например, при пролете через нее ионизирующей частицы (по этой причине в условиях высокого уровня радиации обычные электронные элементы неработоспособны). После сбоя следующая же запись в ячейку произойдет нормально.

В первых моделях PC, когда микросхемы памяти имели существенно худшие характеристики надежности по сравнению с современными, обязательно применялся контроль четности. При его использовании каждый байт памяти сопровождается битом паритета (Parity bit), дополняющим количество единиц в байте до нечетного. Значение бита паритета аппаратно генерируется при записи в память и проверяется при считывании. При обнаружении ошибки паритета схемой контроля вырабатывается немаскируемое прерывание (NMI) и его обработчик обычно выводит на экран сообщение «Parity Error Check» (ошибка паритета) с указанием адреса сбойной ячейки и останавливает процессор командой Halt.