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

Текст из файла (страница 4)

Принципы фон Неймана обеспечивают абсолютное превосходство микропроцессоров перед всеми моделями нетрадиционных, альтернативных фон-неймановской схеме вычислителей, обороты компьютерного рынка постоянно увеличиваются. Однако известно, что уже десятки лет сохраняется тенденция к увеличению в финансовом обороте компьютерного рынка доходов от продажи программных средств по сравнению с доходами от продажи аппаратных средств. Такое нарушение пропорций возникает из-за низких темпов роста производительности программирования при высоких темпах спроса на информационные продукты. В отличие от индустриальных средств проектирования и изготовления вычислительной аппаратуры, программирование до сих пор рассматривается как искусство. Наращивание объемов производства программ на базе современных технологий программирования таких, как использование языков программирование высокого уровня, модульное, объектно-ориентированное программирование и т.д., не обеспечивает потребностей пользователей ЭВМ.

Консерватизм технологий программирования отчасти определен традиционной моделью последовательных вычислений. Математически тривиальная модель вычислителя фон Неймана при реализации усложняется механизмами, особенности которых учитывают системные программисты при разработке операционных систем, оболочек. А прикладным программистам предлагается адаптировать модель последовательного счета к условиям реальной машинной среды. Отображение многомерных массивов, структурированных данных и списков на одномерную, линейную память также должны учитываться технологией программирования. Другой недостаток традиционных ЭВМ: при переходе от программ на языках высокого уровня к объектным кодам происходит значительное усложнение и увеличение этих кодов из-за линейной структуры памяти и примитивного набора команд. Современные мультисистемы усугубляют проблемы управления памятью, добавляют проблемы синхронизации параллельных вычислительных процессов.

1. Глава 3

Архитектура памяти ЭВМ

Производительность ЭВМ определяется технологией исполнения электронных схем и характеризуется максимальной частотой срабатывания ее дискретных элементов. Сейчас это свыше 3 миллиардов тактов в секунду, один такт за каждые 3 наносекунды. Для сравнения: за одну наносекунду луч света проходит расстояние всего в 29.98 см. Современные микропроцессоры могут вырабатывать результаты вычислений арифметических операций над числами с плавающей точкой на каждом такте. При выполнении последовательных арифметических вычислений без потери эффективности оборудования ЭВМ следует обеспечить доставку в арифметическое устройство машины (АЛУ) на каждом такте двух операндов, сохранение результата операции и выборку следующей команды, т.е. реализовать четыре обращения к памяти за такт. Запрос к оперативной памяти ОЗУ за единицей информации “стоит” не менее 30 тактов. Естественно, что архитектура виртуальной машины фон Неймана не может сгладить этот дисбаланс быстродействия между АЛУ и ОЗУ примерно в два порядка. Поэтому все современные микропроцессоры содержат аппаратные схемы для ускорения потоков данных, основанные на использовании буферной сверхбыстрой памяти, конвейерной и параллельной обработки данных. Эти схемы реализуются специальными интерфейсами сопряжения функциональных блоков ЭВМ. Решающее значение для достижения полной загрузки АЛУ, то есть высокой производительности ЭВМ имеет архитектура оперативной памяти и дисциплина работы с ней. При программировании приложений можно ускорить выполнение задач математической физики за счет знания и учета особенностей функционирования оперативной памяти ЭВМ.

3.1. Виды запоминающих устройств

Хранилищем информации в вычислительных системах служит память, состоящая из различных видов запоминающих устройств (ЗУ). ЗУ различаются по ряду признаков: по физическим принципам реализации, по объему хранимой информации, по времени и стилю доступа к информации, и даже по месту расположения и способам сопряжения с процессорами ЭВМ.

Основным, но не всегда главным, параметром ЗУ является размер памяти – максимальное количество информации, которые может быть размещено для хранения в устройстве. Размер памяти принято измерять в байтах, причем, для указания объема памяти используются числа восьмеричной системы счисления.

1 К (Кило) байт = 2¹⁰ байт (1024 в десятичной системе).

1 М (Мега) байт = 2²⁰ байт (1 048 576 в десятичной системе).

1 Г (Гига) байт = 2³⁰ байт (1 073 741 824 в десятичной системе).

1 Т (Тера) байт = 2⁴⁰ байт.

1 П (Пета) байт = 2⁵⁰ байт.

Внимание! Префиксы Кило, Мега, и др. в метриках для измерения пропускной способности каналов передачи информации и оценки производительности ЭВМ относятся к десятичной системе счисления. Емкость магнитных дисков (винчстеров) также чаще всего измеряется в десятичной системе. Зависимость значений вышеуказанных префиксов от контекста применения неудобно, так как может вызвать двусмысленное толкование. Одна из попыток унифицировать отношение префиксов к основанию системы счисления заключается в предложении добавлять к соответствующему двоичному префиксу окончание binary, а сами единицы обозначать Ki, Mi, Gi и т. д. Тогда один килобайт памяти будет называться кибибайт. Обсуждаемая двусмысленность не имеет большого практического значения, ибо разница между значениями десятичного миллиона и двоичного миллиона составляет около 5%, а между соответствующими миллиардами – не более 8%.

Элементарной единицей в любом ЗУ является хранилище для одного бита – бистабильная ячейка памяти, которая может принимать только одно из двух значений. В зависимости от физических принципов, положенных в основу реализации хранилища для бита, можно построить нижеследующую цепочку видов запоминающих устройств. Примерно в таком же порядке ЗУ распределены по такому параметру, как плотность записи.

1. Электронные виды ЗУ. Значение бита фиксируется одним из бинарных состояний триггерной транзисторной схемы (статическая электронная память) или наличием (отсутствием) заряда в конденсаторе (динамическая электронная память). Управление процессами записи и чтения информации в таких ЗУ производится электронными схемами, которые размещаются на той же микросхеме, что и наборы элементарных единиц памяти хранилищ информации. Электронная память являются обязательной составной частью любого микропроцессора, на этом виде памяти реализуется оперативное запоминающее устройство - ОЗУ.

2. Оптические виды ЗУ. Значение бита – прозрачная или затемненная частица оптического диска.

3. Электромагнитные виды ЗУ. Здесь значение бита задает намагниченная или нейтральная частица ферросплава магнитного диска, барабана или магнитной ленты.

4. Механические виды ЗУ. Значение бита – дырка или её отсутствие на соответствующей позиции перфокарты или перфоленты. Данный вид ЗУ включен с перечень исключительно из методических соображений, они утратили свое значение так же, как запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках или на ферритовых кольцах.

В запоминающих устройствах 2,3,4 видов запись и чтение информации производится сканером, к которому путем механического перемещения носителя информации доставляется требуемая часть носителя. ЗУ данного вида называются Внешними Запоминающими Устройствами – ВЗУ (иногда – периферийными), они предназначаются для долговременного хранения информации.

Только магнитные барабаны и магнитные диски (винчестеры) включаются в постоянный состав оборудования ЭВМ, их носители информации также не отделимы от устройства. Остальные виды ВЗУ могут включаться в состав оборудования ЭВМ, а также могут быть автономными абонентами сетевой среды. Носители информации: диски, ленты, карты являются заменяемыми элементами. Они используется в качестве массовой памяти для долговременного хранения программ и данных вне ЭВМ. Эта память может использоваться для однократной записи и постоянного хранения информации, но большинство типов носителей позволяют производить многократную перезапись.

Номенклатура внешних ЗУ следующая. Первыми ВЗУ были устройства для чтения (записи): перфокарты, перфоленты, перфорированной киноленты, магнитной ленты (МЛ), магнитных барабанов (МБ), магнитных дисков (МД). Затем появляются устройства для флоппи-дисков и оптических дисков, магнитные диски – винчестеры, ВЗУ на электронике - флеш-память.

С 1995 г. установлена следующая классификация семейства винчестеров, магнитных дисковых накопителей с несменяемыми дисками. Первый жесткий диск на 16 Кбайт разработан фирмой ИБМ в 1973 г. Он имел 30 цилиндров (дорожек) по 30 секторов - 30/30, что соответствует калибру винтовки - винчестера. Емкость современных накопителей данного вида превышает сотни гигабайт. Известен прогноз, что к 2030 году на магнитных носителях может быть достигнута плотность записи в 10⁹ бит на квадратный дюйм (на 6.45 кв. см).

Магнитные диски: флоппи-диски с заменяемыми носителями, с магнитными мини-дисками, дискетами. Дискеты имеют размеры и емкость: 5,25 дюйма (360 - 1200 Кбайт) и 3.5 дюйма (720 - 1440 Кбайт). Вариации в объеме определяются плотностью записи. Приводы для них могут быть как раздельными, так и комбинированные в одном корпусе.

Оптические дисковые накопители работают со сменными дискетами размером 5.25 дюйма (22 см), емкость которых достигает 10 Гбайт.

Стример (streamer) - лентопротяжный механизм, работающий в инерционном режиме. Высокая плотность записи на ленту обеспечивается отказом от стартстопного режима работы, лента в таких устройствах движется с постоянной скоростью. Различаются форматом используемой магнитной ленты: полудюймовые ленты (девятидорожечные), четвертьдюймовые (QIC - картридж), 8-мм , 4-мм (DAT). Используются для резервного копирования и архивирования данных, емкость таких устройств достигает сотен гигабайт.

Электронные ВЗУ представлены флеш-памятью. Флэш (Flash) – память – это энергонезависимое перезаписываемое ЗУ. Flasn - короткий кадр фильма (запись/считывание производится блоками), вспышка, мигание. In a flash – в мгновение ока (скорость стирания информации). Flashing - засвечивание, прожигание (процесс записи). Физически однобитовая ячейка такой памяти состоит из одного или двух полевых транзисторов с “плавающим” затвором, сохраняющая заряд длительное время, годами (20 – 100 лет).

Многоуровневые ячейки флеш–памяти (MLC – multilevel cell) используют аналоговый принцип записи – в плавающий затвор может заноситься (и считываться) различное количество заряда. Выпуск микросхем с такой технологией, позволяющей хранить в ячейке два, четыре бита еще более повышают емкость памяти. По сравнению с оперативной электронной памятью флеш-память медленнее и имеет ограниченное число циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000). Флеш-память компактнее механических ВЗУ и потребляет меньше электроэнергии, но значительно дороже.

Электронная память служит для кратковременного хранения информации, она есть память с произвольным доступом (Random Access Memory - RAM), которая допускает обращение к любому ее элементу в произвольном порядке. Она энергозависима, т.е. при отключении питания хранимая в ней информация теряется. Для памяти этого вида главными параметрами являются время доступа и цикл памяти. Время доступа – время от запроса до получения данного или занесение его в память. Цикл памяти – минимальное время между двумя последовательными обращениями к памяти. По физическим принципам организации электронная память разделяется на динамическую и статическую память.

Динамическая память (DRAM) базируется на элементах, способных хранить полученный электрический заряд на конденсаторе. Ёмкость такого конденсатора равна 30 феймоФарад – 30*10^-15 Фарад, конденсатор современной DRAM памяти имеет микроскопические размеры и для его заряда достаточно 40 000 электронов. Однако, характерной особенностью такого оборудования является необходимость поддерживать сохраняемый электрический заряд. Конденсаторы могут самопроизвольно разряжаться со временем и заряд необходимо поддерживать, “освежать” динамически, приблизительно каждые 5 - 18 мс (для этого существует процедура refresh – процедура регенерации информации). Но наличие емкости ограничивает быстродействие схемы. При считывании данных из DRAM памяти заряд также разрушается, поэтому его необходимо обновлять после такой операции. Микросхемы динамической памяти можно размещать на кристалле – чипе с высокой плотностью, они самый дешевый вид ОЗУ, однако, не самый быстрый.

Первые микросхемы памяти данного вида работали на частоте 40 МГц и могли обработать очередной запрос на получение одного бита информации примерно за 120 нс. Скорость выборки определяется не только частотой работы микросхемы, но и таким параметром микросхемы памяти, как тайминг. Тайминг х-ууу - число тактов микросхемы: х – для получения первого бита, у – последующих битов. Тайминг стандартной DRAM памяти – 5-555. Для ускорения выборки разработано несколько модификаций памяти, в которых обращение к любому биту всегда обеспечивает также последующий ускоренный доступ к соседним битам. Время доступа к схемам FPM DRAM – около 60 нс (5-333), SDRAM - менее 7 нс (5-111).

Тайминг показывает локальные особенности микросхемы, для интегральной оценки параметров ОЗУ используется такой параметр, как скорость передачи данных в память или из неё. Микросхемы RAMBUS (Rambus DRAM) - новый, один из самых быстрых видов динамической памяти, который значительно увеличивает пропускную способность памяти. В них предусмотрена "удвоенная" шина передачи данных, частота шины увеличена до 800 МГц, а пропускная способность равна 1,6 Гбайт/с. Для повышения производительности используются двух- и четырехканальные RDRAM, которые позволяют увеличить скорость передачи данных до 3,2 или 6,4 Гбайт/с соответственно. (данные 2006 г)

В статической памяти (SRAM) элементарная ячейка памяти (хранилище бита) представляется триггером – электронной схемой с двумя устойчивыми состояниями на биполярных или МОП-транзисторах (4-6 элементов). Схемы с шестью элементами имеют повышенную устойчивость к внешним источникам излучений и увеличенную производительность. Получив заряд один раз, такая ячейка способна хранить и идентифицировать его произвольно долго, пока поддерживается питание. Память данного вида может работать по формуле 3-111 при высоких частотах, время доступа 4 – 12 нс. Так, микропроцессоры Pentium комплектуются статической оперативной памятью с пакетным конвейерным доступом (Pipelined Burst SRAM) и временем доступа 4.5 – 8 нс. На этом виде памяти реализуются регистровая память и кэш- память - элементы памяти, интегрированные в кристалл вместе с процессором. Время выборки из этой памяти сравнимо с частотой работы микропроцессора, иногда её называют СОЗУ – сверхоперативным ЗУ. По сравнению с ней ячейка динамической памяти содержит только один транзистор, кроме конденсатора, и поэтому она занимает меньше места на кристалле. Такая микросхема в целом потребляет меньше энергии и слабее греется, следовательно, она долговечнее и дешевле. Однако, в настоящее время статическая память SRAM обладает наивысшим быстродействием, она уступает DRAM памяти только по перечисленным выше параметрам. Основная электронная память ЭВМ – ОЗУ реализуется на элементах динамической памяти (DRAM) и располагается на отдельном кристалле.

Характеристики

Список файлов книги