Смагин М.С. Вычислительные машины, системы и сети (1088253), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Однако современные операционные системы, − Windows Vista и Windows 7, −поддерживают так называемую функцию ReadyBoost. Она позволяет использовать флеш-память параллельно с оперативной и напрямую передавать данные от флешки к процессору.Перспективные разработки запоминающих устройствТеперь скажем вкратце о перспективах развития запоминающих устройств. Что может прийти из лабораторий на прилавки в ближайшие годы?Начнём с энергозависимых запоминающих устройств.Здесь наиболее перспективной представляется так называемая «технология с нулевым конденсатором».
Память, построенная по этой технологии,называется Z-RAM или «zero-capacitor RAM». Суть этой технологии в том,что конденсатор в каждой ячейке хранения данных интегрируется в транзистор так, что становится его составной частью. Т.е. одной обкладкой конденсатора служит транзистор, а другой – подложка. Это позволяет значительноуменьшить размер ячейки, а следовательно повысить плотность упаковкиячеек на кристалле. Соответственно, вырастает и скорость доступа к каждойиз ячеек и, следовательно, общая скорость доступа к данным. Как показали100лабораторные эксперименты, Z-RAM-память может работать на скоростяхблизких к скоростям работы процессора.
Патенты различные вариации технологии Z-RAM принадлежат, в настоящее время, фирмам AMD и Hynix.В области энергонезависимых запоминающих устройств, наиболееперспективными представляются технологии FeRAM и PRAM.FeRAM или иногда ещё пишут FRAM расшифровывается как Ferroelectric RAM, т.е. ферроэлектрическая память. Ферроэлектрики, или, как их ещёназывают, сегнетоэлектрики, это диэлектрики, обладающие в определённомдиапазоне температур собственным электрическим дипольным моментом,который может быть переориентирован за счёт приложения внешнего электрического поля. Это свойство и использовано для хранения информации.Особенностями ферроэлектрической памяти являются энергонезависимость,практически неограниченное число циклов перезаписи (гарантируется не менее 1010).
Недостаток их заключается в том, что операция чтения приводит кстиранию информации из ячейки, поэтому каждая операция чтения требуетпосле себя операции восстановления, что снижает показатели по временидоступа к данным. Исследованиями в области этой памяти занимаются в основном японцы – фирмы Hitachi и Panasonic. На сегодня на рынке доступнымикросхемы FeRAM памяти ёмкостью в несколько сотен килобит, которыеиспользуются, например, в автомобильной электронике.PRAM расшифровывается как Phase-change memory, или «память наоснове фазового перехода». В ней использован очень интересный принципработы.
Каждая ячейка представляет собой монолитный блок, выполняемыйиз так называемого халькогенидного стекла. Халькогенидами называют химические соединения на основе халькогенов. Халькогены – элементы из 6-йгруппы таблицы Менделеева, в состав которой входят кислород, сера, селен,теллур и полоний. Особенностью халькогенидного стекла является то, чтооно может быстро менять своё фазовое состояние из кристаллического ваморфное и обратно. В разных состояниях оно имеет разное удельное сопротивление и это, соответственно, позволяет проводить считывание информа101ции. Халькогениды уже использовались раньше в компьютерной технике длясоздания CD-RW-дисков, поскольку с изменением фазового состояния меняются не только электрические, но и оптические свойства этих материалов.Время переключения ячейки PRAM из нуля в единицу или наоборотможет составлять до 5 наносекунд.
Для сравнения, скорость переключениясовременной DRAM-памяти составляет 2 наносекунды. Соответственно,PRAM по скорости приближается к оперативной памяти, но при этом обладает энергонезависимостью. Учёные заявляют, что PRAM обеспечивает хранение информации в течение порядка 300 лет. PRAM также имеет ограничение по числу циклов перезаписи, но если у FLASH пиковой характеристикойявляется цифра в 100 тысяч циклов, то производители PRAM обещают до 100миллионов циклов перезаписи. Недостатками PRAM являются температурная нестабильность и ограниченные возможности по созданию многоуровневых ячеек, что ограничивает максимально достижимую логическую ёмкость.Исследованиями в области PRAM занимаются, в основном, Intel и Samsung.В мае 2009 года Samsung объявил о начале коммерческого производства чипов PRAM ёмкостью 512 мегабит (64 мегабайта).102Лекция №8Сопряжение процессоров и памяти.Несмотря на высокую эффективность подхода, основанного на построении иерархии памяти, она не лишена недостатков.
Так, часто случаютсяситуации, когда нужная процессору информация отсутствует в быстрой памяти и ему приходится обращаться к медленным запоминающим устройствам, после чего ожидать поступления данных от них. Если не предусмотретьспециальный механизм управления загрузкой процессора в эти промежуткивремени, то в процессе считывания информации из медленной памяти процессор будет простаивать. Ещё длиннее простои процессора будут, когда информация считывается не из памяти, а из внешнего хранилища, подключённого, например, к порту USB.Доступ к данным, поступающим от внешних запоминающих устройств,может быть организован различным способом. Запоминающие устройства,передающие данные на скорости, сопоставимой со скоростью работы процессора, управляются им напрямую.
К таким запоминающим устройствамотносятся регистровый файл, кэш-память и память оперативная. Простоипроцессора в ожидании информации от них сравнительно невелики и не вызывают существенных потерь производительности. Что же касается болеемедленных устройств, то ожидание поступления информации от них можетпривести к существенному замедлению работы процессора.
Поэтому появилась идея возложить выполнение задач по работе с медленными источникамиинформации на отдельные специализированные процессоры, называемыемодулями ввода-вывода. При использовании таких специализированных модулей, процессор просто отправляет им запросы на получение информации, асам, пока запросы обрабатываются, продолжает выполнять вычислительнуюработу, связанную с другими задачами.Модуль ввода-вывода, управляя работой подключённого к нему медленного запоминающего устройства (жёсткого диска или флеш-памяти), счи103тывает с них данные и передаёт их процессору. Чаще всего, эти данные передаются не в сам процессор, а в специально выделенную область оперативнойпамяти.Процедура передачи данных в память от модуля ввода-вывода можетбыть организована тремя различными способами:• Программно управляемый обмен (Programmed Input-Output – PIO)• Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA)• Обмен по прерываниямПри использовании программно-управляемого обмена, передача данных от модуля к процессору осуществляется по командам системной илипользовательской программы, исполняемой на процессоре непосредственно вмомент обмена.При использовании прямого доступа к памяти, обмен данными междуоперативной памятью и модулями ввода вывода осуществляется без участияпроцессора.
Управление обменом осуществляет специализированный контроллер прямого доступа к памяти, который может быть выполнен как накристалле процессора, так и в виде внешней управляющей микросхемы.Обмен по прерываниям мы рассмотрим более подробно. При его использовании, модуль ввода-вывода посылает процессору специальный сигнал о готовности данных, процессор приостанавливает свою текущую работуи осуществляет приём готовых данных.
Такой специальный сигнал называется запросом на прерывание, а сам механизм приостановки работы процессораназывается прерыванием.Суть данного механизма в том, что в процессор вводятся дополнительные технические узлы, позволяющие прерывать процесс работы процессора стем, чтобы запустить специальную программу, называемую «обработчикомпрерываний».104Прерывания разделяются на классы, основные из которых следующие:• Прерывания ввода-вывода.
Генерируются модулями ввода-вывода,чтобы сигнализировать центральному процессору о том, что текущаяоперация ввода-вывода завершена или возникла какая-то ошибка впроцессе её выполнения.• Программные прерывания. Генерируются в некоторых исключительных ситуациях, которые возникают при выполнении команд: приарифметическом переполнении, делении на ноль, попытке выполнениякоманды с несуществующим кодом операции, обращении к адресу, выходящему за пределы физического адресного пространства компьютера.• Прерывания таймера. Генерируются таймером, который структурновходит в состав процессора. Эти прерывания используются операционной системой для выполнения некоторых регулярных операций.• Аварийные прерывания. Генерируются специальными средствами контроля работоспособности аппаратуры при обнаружении сбоев, в частности пропадания питания или ошибки контроля памяти по чётности.Когда обработка прерывания завершатся, естественная последовательность выполнения команд программы восстанавливается.
Механизм прерываний прозрачен для пользователя, все заботы по приостановке выполненияпользовательской программы и возобновлению её после завершения обработки прерывания берут на себя процессор и операционная система.При поступлении на вход процессора сигнала запроса прерывания, онвыполняет следующую последовательность действий:1. Сохраняет в оперативной памяти информацию о текущем состояниивыполняемой программы – значения служебных регистров и регистровобщего назначения. Совокупность этих данных называется «контекстом выполнения».1052. В счётчик команд записывается начальный адрес обработчика прерывания.3.
Обработчик прерываний определяет причину возникновения прерывания и выполняет соответствующие этому событию операции.4. После окончания работы обработчика контекст выполнения загружается обратно, и работа программы продолжается.Очень часто классам прерываний присваиваются определённые приоритеты. Если во время обработки одного прерывания поступает другое прерывание, имеющее меньший приоритет, то оно игнорируется. Если же поступает прерывание, имеющее больший приоритет, то текущее прерывание, всвою очередь, тоже прерывается, и процессор предоставляется прерыванию сболее высоким приоритетом.Для обработки прерываний различного приоритета используется такназываемая операция маскирования прерываний.
В структуру процессоравводится специальный регистр маски, разрядность которого равна или превышает число уровней приоритета для прерываний. При поступлении прерывания определённого уровня приоритета, в него записывается специальныйкод, называемый маской прерывания.Если во время обработки прерывания поступает сигнал ещё одногопрерывания, то код в регистре маски сравнивается с кодом, соответствующим новому сигналу прерывания, если выясняется, что поступившее прерывание имеет более высокий приоритет, обработка текущего прерывания, всвою очередь, приостанавливается и начинается обработка поступившегопрерывания.Материнские платыДля соединения центрального процессора и модулей памяти различного уровня в единую систему в персональных ЭВМ используется специальныйаппаратный модуль, называемый материнской платой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
