Лекции по операционным системам (1114738), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

В ОЗУ все ячейки памяти имеют уникальные имена, имя — адрес ячейки памяти. Обычно адрес — это порядковый номер ячейки памяти (нумерация ячеек памяти возможна как подряд идущими номерами, так и номерами, кратными некоторому значению). Доступ к содержимому машинного слова осуществляется при непосредственном (например, считать содержимое слова с адресом А) или косвенном использовании адреса (например, считать значение слова, адрес которого находится в машинном слове с адресом В). Одной из характеристик оперативной памяти является ее производительность, которая определяет скорость доступа процессора к данным, размещенным в ОЗУ. Обычно производительность ОЗУ определяется по значениям двух параметров. Первый — время доступа (access time — t_access) — это время между запросом на чтение слова из оперативной памяти и получением содержимого этого слова. Второй параметр — длительность цикла памяти (cycle time — t_cycle) — это минимальное время между началом текущего и последующего обращения к памяти. Обычно, длительность цикла превосходит время доступа (t_cycle>t_access). Реальные соотношения между длительностью цикла и временем доступа зависят от конкретных технологий, применяемых для организации ОЗУ (в некоторых ОЗУ t_cycle/t_access>2). Последнее утверждение говорит о том, что возможна ситуация, при которой для чтения N слов из памяти потребуется времени больше, чем N×t_access.

Вернемся к обозначенной в конце предыдущего пункта проблеме дисбаланса производительности аппаратных компонентов компьютера. Скорость обработки данных в процессоре в несколько раз превышает скорость доступа к информации, размещенной в оперативной памяти. Необходимо, чтобы итоговая скорость выполнения команды процессором как можно меньше зависела от скорости доступа к коду команды и к используемым в ней операндам из памяти. Это составляет проблему, которая системным образом решается на уровне архитектуры ЭВМ. В аппаратуре компьютера применяется целый ряд решений, призванных сгладить эту разницу. Одно из таких решений — расслоение памяти.

Расслоение ОЗУ — один из аппаратных путей решения проблемы дисбаланса в скорости доступа к данным, размещенным в оперативной памяти, и производительностью процессора. Суть расслоения состоит в следующем (Рис. 24., Рис. 25.).

1. ОЗУ без расслоения памяти — один контроллер на все банки.

Все ОЗУ состоит из K банков, каждый из которых может работать независимо. Ячейки памяти распределены между банками таким образом, что у любой ячейки ее соседи размещаются в соседних блоках. Что дает подобная организация памяти? Расслоение памяти позволяет во многом сократить задержки, возникающие из-за несоответствия времени доступа и цикла памяти при выполнении последовательного доступа к ячейкам памяти, т.к. при расслоении ОЗУ задержки, связанные с циклом памяти, будут возникать только в тех случаях, когда подряд идущие обращения попадают в один и тот же банк памяти. Используя организацию параллельной работы банков, в идеальном случае, можно повысить производительность работы ОЗУ в K раз. Для этих целей необходимо использовать более сложную архитектуру системы управления памятью.

1. ОЗУ с расслоением памяти — каждый банк обслуживает отдельный контроллер.

Другие свойства и характеристики оперативного запоминающего устройства мы будем рассматривать позднее по мере знакомства с основами архитектуры компьютеров и организацией и функционированием компонентов операционных систем.

1.2.3Центральный процессор

Процессор, или центральный процессор (ЦП), компьютера обеспечивает последовательное выполнение машинных команд, составляющих программу, размещенную в оперативной памяти. Термин «центральный процессор» соответствует ситуации сегодняшнего дня, когда современный компьютер имеет в своем составе значительное количество специализированных управляющих компьютеров. Подобные компьютеры могут осуществлять управление контроллерами устройств, быть встроены в сами устройства, выполнять специализированные операции над данными программы.

Рассмотрим основные компоненты обобщенной структурной организации центрального процессора (Рис. 26.).

1. Структура организации центрального процессора.

1.2.3.1Регистровая память

Регистровый файл (register file), или регистровая память, — совокупность устройств памяти процессора — т.н. регистров, предназначенных для временного хранения управляющей информации, операндов и/или результатов выполняемых команд. Регистровый файл обычно включает в себя регистры общего назначения (general-purpose register) и специальные регистры (special-purpose register).

Регистры общего назначения (РОН) состоят из доступных для программ пользователей регистров, предназначенных для хранения операндов, адресов операндов, результатов выполнения команд. Скорость доступа к содержимому регистров сравнима со скоростью обработки информации процессором, поэтому одной из основных причин появления регистров общего назначения было сглаживание дисбаланса в производительности процессора и скорости доступа к оперативной памяти. Наиболее часто используемые в программе операнды размещались на регистрах общего назначения, тем самым происходило сокращение количества реальных обращений в оперативную память, что, в итоге, повышало суммарную производительность компьютера. Состав регистров общего назначения существенно зависит от архитектуры конкретного компьютера.

Специальные регистры предназначены для координации информационного взаимодействия основных компонентов процессора. В их состав могут входить специальные регистры, обеспечивающие управление устройствами компьютера, регистры, содержимое которых используется для представления информации об актуальном состоянии выполняемой процессором программы и т.д. Так же, как и в случае регистров общего назначения, состав специальных регистров определяется архитектурой конкретного процессора. К наиболее распространенным специальным регистрам относятся: счетчик команд (program counter), указатель стека (stack pointer), слово состояния процессора (processor status word). Счетчик команд — специальный регистр, в котором размещается адрес очередной выполняемой команды программы. Счетчик команд изменяется в устройстве управления согласно алгоритму, заложенному в программу. Более подробно использование счетчика команд проиллюстрируем несколько позднее при рассмотрении рабочего цикла процессора. Указатель стека — регистр, содержимое которого в каждый момент времени указывает на адрес слова в области памяти, являющегося вершиной стека. Обычно данный регистр присутствует в процессорах, система команд которых поддерживает работу со стеком (операции чтения и записи данных из/в стек с автоматической коррекцией значения указателя стека). Слово состояния процессора — регистр, содержимое которого определяет режимы работы процессора, значения кодов результата операций и т.п.

1.2.3.2Устройство управления. Арифметико-логическое устройство

Устройство управления (control unit) — устройство, которое координирует выполнение команд программы процессором. Арифметико-логическое устройство (arithmetic/logic unit) обеспечивает выполнение команд, предусматривающих арифметическую или логическую обработку операндов. Эти устройства являются своего рода «мозгом» процессора, т.к. именно функционирование устройства управления и арифметико-логического устройства обеспечивают выполнение программы. Рассмотрим упрощенную схему выполнения программы (Рис. 27.) в модельном компьютере.

1. Схема выполнения программы.

Пусть в начальный момент времени в счетчике команд СчК находится адрес первой команды программы. Для упрощения изложения будем считать, что система команд компьютера и система адресации оперативной памяти таковы, что любая команда размещается в одном машинном слове, адреса соседних машинных слов отличаются на единицу. Итак, рассмотрим последовательность действий в устройстве управления процессора при выполнении программы.

1. По содержимому счетчика команд СчК выбирается команда для выполнения. Формируется адрес следующей команды: СчК = СчК + 1.

2. Осуществляется анализ кода операции:

   • Если это код арифметической или логической операции, то вычисляются исполнительные адреса операндов, выбираются значения операндов, команда передается для исполнения в арифметико-логическое устройство (передается код операции и значения операндов). В арифметико-логическом устройстве происходит выполнение команды, а также происходит формирование кода признака результата в регистре слова состояния процессора или в специальном регистре результата. Переход на п.1.

   • Если это команда передачи управления, то происходит анализ условий перехода (анализируется содержимое кода признака результата предыдущей арифметико-логической команды с условиями перехода, соответствующими команде). Если условие перехода не выполняется, то переход на п.1. Иначе, вычисляется исполнительный адрес операнда А_{перехода} , затем: СчК = А_{перехода}, переход на п.1.

   • Если команда загрузки данных из памяти в регистры общего назначения, то вычисляются исполнительные адреса операндов, выбираются значения операндов из памяти, значения записываются в соответствующие регистры. Переход на п.1.

Последовательность действий, происходящая в процессоре при выполнении программы, называется рабочим циклом процессора. По ходу рассмотрения материала мы будем уточнять рабочий цикл нашего обобщенного модельного компьютера.

1.2.3.3КЭШ-память

Ключевой проблемой функционирования компьютеров является проблема несоответствия производительности центрального процессора и скорости доступа к информации, размещенной в оперативной памяти. Мы рассмотрели аппаратные и программно-аппаратные средства, применение которых позволяет частично сократить этот дисбаланс. Однако, ни организация расслоения памяти, ни использование регистров общего назначения для размещения наиболее часто используемых операндов не предоставили кардинального решения проблемы. Решение, которое на сегодняшний день является наиболее эффективным, основывается на аппаратных средствах, позволяющих при выполнении программы автоматически минимизировать количество реальных обращений в оперативную память за операндами и командами программы за счет кэширования памяти — размещения части данных в более высокоскоростном запоминающем устройстве. Таким средством является КЭШ-память (cache memory) — высокоскоростное устройство хранения данных, используемое для буферизации работы процессора с оперативной памятью. В общем случае, кэш представляет собою аппаратную «емкость», в которой аккумулируются наиболее часто используемые данные из оперативной памяти. Обмен данными при выполнении программы (чтение команд, чтение значений операндов, запись результатов) происходит не с ячейками оперативной памяти, а с содержимым КЭШа. При необходимости из КЭШа «выталкивается» часть данных в ОЗУ или загружаются из ОЗУ новые данные. Варьируя размеры КЭШа, можно существенно минимизировать частоту реальных обращений к оперативной памяти. Размещение и команд, и данных в одном КЭШе может приводить к тому, что команды и данные начинают вытеснять друг друга, увеличивая при этом обращения к оперативной памяти. Для исключения недетерминированной конкуренции в КЭШе между командами программы и обрабатываемыми данными современные компьютеры имеют два независимых КЭШа: КЭШ данных и КЭШ команд, каждый из которых работает со своим потоком информации — потоком команд и потоком операндов.

1. Общая схема работы КЭШа.

Общая организация КЭШа следующая (Рис. 28.).

1. Условно, вся память разделяется на блоки одинакового размера. Обмен данными между КЭШем и оперативной памятью осуществляется блоками (размер блока может соответствовать машинному слову или группе машинных слов). Здесь мы можем видеть возможное проявление преимущества использования памяти с расслоением, так как загрузка блока из оперативной памяти в КЭШ осуществляется с использованием параллелизма работы «расслоенной» оперативной памяти.

2. Каждому блоку КЭШа ставится в соответствие адресный тег, по содержимому которого возможно однозначно адресовать содержимое блока. Таким образом, после вычисления исполнительного адреса операнда или команды устройство управления может определить, находится ли соответствующая информация в одном из блоков КЭШ-памяти или нет. Факт нахождения искомых данных в КЭШе называется попаданием (hit). Если искомых данных нет в КЭШе, то фиксируется промах (cache miss).

3. При возникновении промаха происходит обновление содержимого КЭШа. Для этого выбирается блок-претендент на вытеснение, т.е. блок, содержимое которого будет заменено. Стратегия этого выбора зависит от конкретной организации процессора. Существуют КЭШи, вытеснение блоков которых осуществляется случайным образом, т.е. номер блока, который должен быть вытеснен, определяется с использованием встроенного генератора случайных чисел. Альтернативой случайного вытеснения является вытеснение наименее «популярного» блока, т.е. блока, к содержимому которого происходило наименьшее число обращений (LRU — Least-Recently Used).

4. Отдельно следует обратить внимание на организацию вытеснения блока в КЭШе данных, т.к. содержимое блоков КЭШа может не соответствовать содержимому памяти: это возникает при обработке команд записи данных в память. В этом случае также возможно использование нескольких стратегий. Первая — сквозное кэширование (write-through caching): при выполнении команды записи данных обновление происходит как в КЭШе, так и в оперативной памяти. Таким образом, при вытеснении блока из КЭШа происходит только загрузка содержимого нового блока. Данная стратегия оправдана, т.к. статистические исследования показывают, что частота чтения данных превосходит частоту их записи на порядок. Другой стратегией является кэширование с обратной связью (write-back caching), суть которой заключается в использовании специального тега модификации (dirty bit). При выполнении команды записи по адресу, содержимое которого кэшируется в одном из блоков, происходит обновление соответствующей этому адресу информации в блоке КЭШа, а также установка в блоке тега модификации. Соответственно, при вытеснении блока осуществляется контроль за содержимым тега. Если тег модификации установлен, то содержимое блока перед вытеснением «сбрасывается» в память. Тем самым минимизируется частота выполнения операции записи в память.

Кэширование памяти в современных вычислительных системах применяется не только для оптимизации взаимодействия центрального процессора и оперативной памяти. В настоящем пункте мы рассмотрели модельный аппарат КЭШ как компонент процессора — это т.н. КЭШ первого уровня. Современные компьютеры могут включать в свой состав иерархию устройств, кэширующих более медленные устройства хранения данных. Рассмотрению этого вопроса будет посвящен отдельный раздел.

Характеристики

Список файлов лекций