Б лочная организация основной памяти

Основная память - это устройство для хранения информации. Она состоит из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).

Емкость основной памяти современных ВМ слишком велика, чтобы ее можно было реализовать на базе единственной интегральной микросхемы (ИМС). Необходи­мость объединения нескольких ИМС ЗУ возникает также, когда разрядность ячеек в микросхеме ЗУ меньше разрядности слов ВМ.

Увеличение разрядности ЗУ реализуется за счет объединения адресных вхо­дов объединяемых ИМС ЗУ. Полу­ченную совокупность микросхем называют модулем памяти.  Структурная схема модуля памяти имеет вид:

О дин или несколько модулей образуют банк памяти.Для получения требуемой емкости ЗУ нужно определенным образом объеди­нить несколько банков памяти меньшей емкости. В общем случае основная память ВМ практически всегда имеет блочную структуру, то есть содержит несколько банков.

При использовании блочной памяти, состоящей из В банков, адрес ячейки А преобразуется в пару (b, w), где b — номер банка, w — адрес ячейки внутри банка.

Расслоение памяти. Метод расслоения памяти (интерливинг) применяется для увеличения скорости доступа к основной (оперативной) памяти. В обычном случае, во время обращения к какой-то одной из ячеек модуля основной памяти никакие другие обращения к памяти производиться не могут. При расслоении памяти соседние по адресам ячейки размещаются в различных модулях памяти, так что появляется возможность производить несколько обращений одновременно. Например, при расслоении на два направления ячейки с нечетными адресами оказываются в одном модуле памяти, а с четными — в другом. При простых последовательных обращениях к основной памяти ячейки выбираются поочередно. Таким образом, расслоение памяти позволяет обращаться сразу к нескольким ячейкам, поскольку они относятся к различным модулям памяти.

ОЗУ. Оперативная память — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой, исходя из названия, временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Обязательным условием является адресуемость (каждое машинное слово имеет индивидуальный адрес) памяти.

Используются два типа ОЗУ: статические и динамические. В статических ОЗУ каждый элемент памяти представляет собой триггер, который можно устанавливать, сбрасывать и хранить, таким образом, двоичные 1 или 0. Состояние триггера не изменяется до тех пор, пока в него не будет записана новая информация или не выключится питание ОЗУ.

В динамических ОЗУ в качестве запоминающих элементов используются конденсаторы. Наличие на конденсаторе заряда соответствует логической 1; отсутствие 0. Такой принцип хранения информации упрощает ячейку памяти и позволяет располагать их более плотно, однако приходится бороться с утечкой заряда конденсатора, которая происходит за время порядка нескольких милли­секунд. Для коррекции утечки динамические ОЗУ должны периодически регенерироваться.

ПЗУ. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных. ПЗУ - это память, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.Используются в универсальных и специальных ЭВМ:

Универсальные ЭВМ в ПЗУ хранят : 1) программы инициализации и конфигурирования, 2) const, 3) подпрограммы, 4) тесты , 5) микропрограммы.

Специализированные ЭВМ (которые работают без участия человека)

Стековая память. Стековая память обеспечивает такой режим работы, когда информация записывается и считывается по принципу «последним записан — первым считан»  (LIFO Last In First Out). Память с подобной организацией широко применяется для запоминания и восстановления содержимого регистров процессора (контекста) при обработке подпрограмм и прерываний

Наиболее распространенным в настоящее время является внешний или аппа­ратно-программный стек, в котором для хранения информации отводится область ОП. Обычно для этих целей отводится участок памяти с наибольшими адресами, а стек расширяется в сторону уменьшения адресов. Поскольку программа обычно загружается, начиная с меньших адресов, такой прием во многих случаях позволяет избежать перекрытия областей программы и стека. Адресация стека обеспечивается специальным регистром — указателем стека(SP — stack pointer), в который предварительно помещается наибольший адрес области основной памяти, отведенной под стек .

При занесении в стек очередного слова сначала производится уменьшение на единицу содержимого указателя стека (УС), которое затем используется как адрес ячейки, куда и производится запись, то есть указатель стека хранит адрес той ячейки, к которой было произведено последнее обращение. Это можно описать в виде: УС := УС - 1; ОП[(УС)] := ШД.

При считывании слова из стека в качестве адреса этого слова берется текущее содержимое указателя стека, а после того как слово извлечено, содержимое УС увеличивается на единицу. Таким образом, при извлечении слова из стека реализуются следующие операции: ШД :=ОП[(УС)]; УС:=УС+1. 

Ассоциативная память. Ассоциативное ЗУ — это устройство, способное хранить информацию, сравнивать ее с некоторым заданным образцом и указывать на их соответствие или несоответ­ствие друг другу. Признак, по которому производится поиск информации, будем называть ассоциативным признаком, а кодовую комбинацию, выступающую в роли образца для поиска, — признаком поиска. Ассоциативный признак может быть ча­стью искомой информации или дополнительно придаваться ей. В последнем слу­чае его принято называть тегом или ярлыком.

АЗУ включает в себя:

1) запоминающий массив для хранения N m-разрядных слов, в каждом из которых несколько младших разрядов занимает служебная информация;

2) регистр ассоциативного признака, куда помещается код искомой информации (признак поиска). Разрядность регистра k обычно меньше длины слова m;

3) схемы совпадения, используемые для параллельного сравнения каждого бита всех хранимых слов с соответствующим битом признака поиска и выработки сигналов совпадения;

4) регистр совпадений, где каждой ячейке запоминающего массива соответствует один разряд, в который заносится единица, если все разряды соответствующей ячейки совпали с одноименными разрядами признака поиска;

5)  регистр маски, позволяющий запретить сравнение определенных битов;

6) комбинационную схему, которая на основании анализа содержимого регистра совпадений формирует сигналы, характеризующие результаты поиска инфор­мации.

При обращении к АЗУ сначала в регистре маски обнуляются разряды, которые не должны учитываться при поиске информации. Все разряды регистра совпаде­ний устанавливаются в единичное состояние. После этого в регистр ассоциатив­ного признака заносится код искомой информации (признак поиска) и начинает­ся ее поиск, в процессе которого схемы совпадения одновременно сравнивают первый бит всех ячеек запоминающего массива с первым битом признака поиска. Те схемы, которые зафиксировали несовпадение, формируют сигнал, переводя­щий соответствующий бит регистра совпадений в нулевое состояние. Так же про­исходит процесс поиска и для остальных незамаскированных битов признака по­иска. В итоге единицы сохраняются лишь в тех разрядах регистра совпадений, которые соответствуют ячейкам, где находится искомая информация. Конфигура­ция единиц в регистре совпадений используется в качестве адресов, по которым производится считывание из запоминающего массива. Из-за того, что результаты поиска могут оказаться неоднозначными, содержи­мое регистра совпадений подается на комбинационную схему, где формируются сигналы, извещающие о том, что искомая информация:  А0 — не найдена; а1 — содержится в одной ячейке; а2 — содержится более чем в одной ячейке. Формирование содержимого регистра совпадений и сигналов а0, а1, а2 носит название операции контроля ассоциации.  При считывании сначала производится контроль ассоциации по аргументу поиска. Затем, при а0 = 1 считывание отменяется из-за отсутствия искомой инфор­мации, при а1 = 1 считывается слово, на которое указывает единица в регистре совпадений, а при а2=1 сбрасывается самая старшая единица в регистре совпаде­ний и извлекается соответствующее ей слово. Повторяя эту операцию, можно по­следовательно считать все слова.

Запись в АП производится без указания конкретного адреса, в первую свобод­ную ячейку. Для отыскания свободной ячейки выполняется операция считыва­ния, в которой не замаскированы только служебные разряды, показывающие, как давно производилось обращение к данной ячейке, и свободной считается либо пу­стая ячейка, либо та, которая дольше всего не использовалась.

Главное преимущество ассоциативных ЗУ определяется тем, что время поиска информации зависит только от числа разрядов в признаке поиска и скорости оп­роса разрядов и не зависит от числа ячеек в запоминающем массиве.

Внешняя память - это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер.

В состав внешней памяти входят: 1) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД); 2) накопители на гибких магнитных дисках (НГМД); 3) накопители на магнитооптических компакт дисках; 4) накопители на оптических дисках (CD-ROM); 5) накопители на магнитной ленте и др.

Накопители на гибких магнитных дисках

- Предназначены для хранения небольших объемов информации

- Следует оберегать от сильных магнитных полей и нагревания

- Это носители произвольного (прямого) доступа к информации

- Объём ГМД сравнительно небольшой (3,5 дюйма - 1,44 Мбайт)

- Рекомендуется делать копии содержимого ГМД

Диски называются гибкими потому, что их рабочая поверхность изготовлена из эластичного материала и помещена в твердый защитный конверт.

НЖМД - накопители на жестких магнитных дисках

- Предназначены для хранения той информации, которая наиболее часто используется в работе - программ операционной системы, компиляторов, сервисных программ, прикладных программ пользователя, текстовых документов, файлов базы данных

- Следует оберегать от ударов при установке и резких перемещений в пространстве

- Это носители с произвольным доступом к информации

- Для хранения информации разбивается на дорожки и секторы

- Скорость обмена информации значительно выше гибких дисков

- Объём ЖД измеряется от Мбайт до сотен Гбайт

Оптические (лазерные) CD и DVD диски

- Предназначены для хранения любого вида информации

- Информацию на CD записывается с помощью лазерного луча

- Следует оберегать от царапин и загрязнения поверхности

- Это носители прямого (произвольного) доступа к информации

- Объем (ёмкость) CD составляет сотни Мбайт; DVD -более 1Гбайта

- Более долговечны и надежны, чем магнитные диски

Кэш или кеш (от английского слова cache — убежище, тайник, поскольку такая память обычно скрыта от программиста в том смысле, что он не может ее адресовать и может даже вообще не знать о ее существовании)— промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы.

Когда ЦП пытается прочитать слово из основной памяти, сначала осуществляется поиск копии этого слова в кэше. Если такая копия существует, обращение к ОП не производится, а в ЦП передается слово, извлеченное из кэш-памяти. Данную ситуацию принято называть успешным обращением или попаданием (hit). При отсутствии слова в кэше, то есть при неуспешном обращении — промахе (miss),-требуемое слово передается в ЦП из основной памяти, но одновременно из ОП в кэш-память пересылается блок данных, содержащий это слово.