| № | Тип ЗУ | 1985 г. | 2000 г. | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Время выборки | Типичный объем | Цена / байт | Время выборки | Типичный объем | Цена / байт | ||
| 1 | Сверхоперативные ЗУ (регистры) | 0,2 5 нс | 16/32 бит | $ 3 - 100 | 0,01 1 нс | 32/64/128 бит | $ 0,1 10 |
| 2 | Быстродействующее буферное ЗУ (кэш) | 20 100 нс | 8Кб - 64Кб | ~ $ 10 | 0,5 - 2 нс | 32Кб 1Мб | $ 0,1 - 0,5 |
| 3 | Оперативное (основное) ЗУ | ~ 0,5 мс | 1Мб - 256Мб | $ 0,02 1 | 2 нс 20 нс | 128Мб - 4Гб | $ 0,01 0,1 |
| 4 | Внешние ЗУ (массовая память) | 10 - 100 мс | 1Мб - 1Гб | $ 0,002 - 0,04 | 5 - 20 мс | 1Гб - 0,5Тб | $ 0,001 - 0,01 |
Регистры процессора составляют его контекст и хранят данные, используемые исполняющимися в конкретный момент командами процессора. Обращение к регистрам процессора происходит, как правило, по их мнемоническим обозначениям в командах процессора.
Кэш используется для согласования скорости работы ЦП и основной памяти. В вычислительных системах используют многоуровневый кэш : кэш I уровня (L1), кэш II уровня (L2) и т.д. В настольных системах обычно используется двухуровневый кэш , в серверных - трехуровневый. Кэш хранит команды или данные, которые с большой вероятностью в ближайшее время поступят процессору на обработку. Работа кэш-памяти прозрачна для программного обеспечения, поэтому кэш- память обычно программно недоступна.
Оперативная память хранит, как правило, функционально-законченные программные модули (ядро операционной системы, исполняющиеся программы и их библиотеки, драйверы используемых устройств и т.п.) и их данные, непосредственно участвующие в работе программ, а также используется для сохранения результатов вычислений или иной обработки данных перед пересылкой их во внешнее ЗУ, на устройство вывода данных или коммуникационные интерфейсы.
Каждой ячейке оперативной памяти присвоен уникальный адрес . Организационные методы распределения памяти предоставляют программистам возможность эффективного использования всей компьютерной системы. К таким методам относят сплошную ("плоскую") модель памяти и сегментированную модель памяти. При использовании сплошной модели ( flat model ) памяти программа оперирует единым непрерывным адресным пространством линейным адресным пространством, в котором ячейки памяти нумеруются последовательно и непрерывно от 0 до 2n-1, где n - разрядность ЦП по адресу. При использовании сегментированной модели (segmented model ) для программы память представляется группой независимых адресных блоков, называемых сегментами. Для адресации байта памяти программа должна использовать логический адрес , состоящий из селектора сегмента и смещения. Селектор сегмента выбирает определенный сегмент, а смещение указывает на конкретную ячейку в адресном пространстве выбранного сегмента.
Со времен создания ЭВМ фон Неймана основная память в компьютерной системе организована как линейное (одномерное)адресное пространство , состоящее из последовательности слов , а позже байтов. Аналогично организована и внешняя память . Хотя такая организация и отражает особенности используемого аппаратного обеспечения, она не соответствует способу, которым обычно создаются программы. Большинство программ организованы в виде модулей, некоторые из которых неизменны (только для чтения, только для исполнения), а другие содержат данные, которые могут быть изменены.
Если операционная система и аппаратное обеспечение могут эффективно работать с пользовательскими программами и данными, представленными модулями, то это обеспечивает ряд преимуществ.
Модули могут быть созданы и скомпилированы независимо друг от друга, при этом все ссылки из одного модуля в другой разрешаются системой во время работы программы.
Разные модули могут получать разные степени защиты (только чтение, только исполнение) за счет весьма умеренных накладных расходов.
Возможно применение механизма, обеспечивающего совместное использование модулей разными процессами (для случая сотрудничества процессов в работе над одной задачей).
Перефразированный закон Паркинсона гласит: "Программы расширяются, стремясь заполнить весь объем памяти, доступный для их поддержки" (сказано это было об ОС). В идеале программисты хотели бы иметь неограниченную в размере и скорости память , которая была бы энергонезависимой, т.е. сохраняла свое содержимое при выключении электричества , а также недорого бы стоила. Однако реально пока такой памяти нет. В то же время на любом этапе развития технологии производства запоминающих устройств действуют следующие достаточно устойчивые соотношения:
чем меньше время доступа, тем дороже бит;
чем выше емкость, тем ниже стоимость бита;
чем выше емкость, тем больше время доступа.
снижается стоимость бита;
возрастает емкость;
возрастает время доступа;
снижается частота обращений процессора к памяти.
Рис. 6.1. Иерархия памяти
Предположим, процессор имеет доступ к памяти двух уровней. На первом уровне содержится Е 1 слов, и он характеризуется временем доступа Т 1 = 1 нс. К этому уровню процессор может обращаться непосредственно. Однако если требуется получить слово , находящееся на втором уровне, то его сначала нужно передать на первый уровень. При этом передается не только требуемое слово , а блок данных , содержащий это слово . Поскольку адреса, к которым обращается процессор , имеют тенденцию собираться в группы (циклы, подпрограммы), процессор обращается к небольшому повторяющемуся набору команд. Таким образом, работа процессора с вновь полученным блоком памяти будет проходить достаточно длительное время.
Обозначим через Т 2 = 10 нс время обращения ко второму уровню памяти, а через Р – отношение числа нахождений нужного слова в быстрой памяти к числу всех обращений. Пусть в нашем примере Р = 0,95 (т.е. 95% обращений приходится на быструю память , что вполне реально), тогда среднее время доступа к памяти можно записать так:
T ср = 0,95*1нс + 0,05* (1нс+10нс)=1,55нс
Этот принцип можно применять не только к памяти с двумя уровнями. Реально так и происходит. Объем оперативной памяти существенно сказывается на характере протекания вычислительного процесса, так как он ограничивает число одновременно выполняющихся программ, т.е. уровень мультипрограммирования. Если предположить , что процесс проводит часть р своего времени в ожидании завершения операции ввода-вывода, то степень загрузки Z центрального процессора (ЦП) в идеальном случае будет выражаться зависимостью
Z = 1 - p n , где n – число процессов.
На рис. 6.2 показана зависимость Z=p(n) для различного времени ожидания завершения операции ввода-вывода (20%, 50% и 80%) и числа процессов n. Большое количество задач, необходимое для высокой загрузки процессора, требует большого объема оперативной памяти. В условиях, когда для обеспечения приемлемого уровня мультипрограммирования имеющейся памяти недостаточно, был предложен метод организации вычислительного процесса, при котором образы некоторых процессов целиком или частично временно выгружаются на диск .
Очевидно, что имеет смысл временно выгружать неактивные процессы, находящиеся в ожидании каких-либо ресурсов, в том числе очередного кванта времени центрального процессора. К моменту, когда пройдет очередь выполнения выгруженного процесса, его образ возвращается с диска в оперативную память . Если при этом обнаруживается, что свободного места в оперативной памяти не хватает , то на диск выгружается другой процесс.
Такая подмена (виртуализация ) оперативной памяти дисковой памятью позволяет повысить уровень мультипрограммирования, поскольку объем оперативной памяти теперь не столь жестко ограничивает число одновременно выполняемых процессов. При этом суммарный объем оперативной памяти, занимаемой образами процессов, может существенно превосходить имеющийся объем оперативной памяти.
В данном случае в распоряжение прикладного программиста предоставляется виртуальная оперативная память , размер которой намного превосходит реальную память системы и ограничивается только возможностями адресации используемого процесса (в ПК на базе Pentium 2 32 = 4 Гбайт). Вообще виртуальным (кажущимся) называется ресурс , обладающий свойствами (в данном случае большой объем ОП), которых в действительности у него нет.
Виртуализация оперативной памяти осуществляется совокупностью аппаратных и программных средств вычислительной системы (схемами процессора и операционной системой) автоматически без участия программиста и не сказывается на логике работы приложения.
Виртуализация памяти возможна на основе двух возможных подходов:
свопинг (swapping) – образы процессов выгружаются на диск и возвращаются в оперативную память целиком;
виртуальная память (virtual memory ) – между оперативной памятью и диском перемещаются части образов (сегменты, страницы, блоки и т.п.) процессов.
избыточность перемещаемых данных и отсюда замедление работы системы и неэффективное использование памяти;
невозможность загрузить процесс, виртуальное пространство которого превышает имеющуюся в наличии свободную память.
Виртуальная память не имеет указанных недостатков, но ее ключевой проблемой является преобразование виртуальных адресов в физические (почему это проблема, будет ясно дальше, а пока можно отметить существенные затраты времени на этот процесс, если не принять специальных мер).
Концепция виртуальной памяти
В ВС с виртуальной памятью адресное пространство (АП) процесса (образ процесса) во время выполнения хранится во внешней памяти ЭВМ и загружается в реальную память по частям динамически по необходимости в любое свободное место РОП. Однако программа ничего не знает об этом , написана и выполняется так, как будто полностью находится в РОП.
Виртуальная память - это моделирование оперативной памяти во внешней памяти.
Механизм отображения виртуальных и реальных адресов устанавливает между ними соответствие и называется динамическим преобразованием адресов (ДПА).
Компьютер здесь уже выступает как логическое устройство, а не физическая машина с уникальными характеристиками. ДПА поддерживается на аппаратно-микропрограммном уровне. В МП Intel, начиная с 386 процессора, выполняется поддержка виртуальной памяти.
Такая процедура выполняется для EC ЭВМ - ряд 2 и выше, для СМ ЭВМ- 1700, для IBM PC – I386 и выше.
При управлении виртуальной памятью смежные виртуальные адреса не обязательно будут смежными реальными адресами (искусственная смежность). Программист освобождается от необходимости учитывать размещение своих процедур и данных в РОП. Он получает возможность писать программы наиболее естественным образом, прорабатывая лишь детали алгоритма и структуру программы, игнорируя конкретные особенности структуры аппаратных средств.
Механизм ДПА предполагает ведение таблиц, показывающих какие ячейки ВП в текущий момент времени находятся в РОП и где именно. Поскольку индивидуальное отображение элементов информации (пословное или побайтовое) не имеет смысла (так как под таблицы отображения адресов потребовалось бы РОП больше чем под процессы), то отображение адресов выполняется на уровне блоков ОП.
Рисунок 1 . Динамическое преобразование адресов
Проблема: какую часть процессов держать в ОП, в некоторые моменты времени, выталкивая одни участки РОП и размещая другие.
Еще один вопрос, который необходимо решать: Каким сделать размер блока ?
Увеличение размера блока приводит к уменьшению размера таблицы отображения блоков, но увеличивает время обмена и, наоборот, уменьшение размера блока приводит к увеличению таблиц и уменьшению времени обмена с внешней памятью.
Блоки могут быть фиксированного размера (страницы) и переменного размера (сегменты). В этой связи существует четыре способа организации виртуальной памяти:
1.Динамическая страничная организация.
2.Сегментная организация.
3.Комбинированная сегментно-страничная организация.
4.Двухуровневая страничная организация.
Виртуальные адреса в страничных и сегментных системах являются двухкомпонентными и представляют собой упорядоченную пару (p,d ), где p - номер блока (страницы либо сегмента), в которой размещается элемент, а d - смещение относительно начального адреса этого блока. Преобразование виртуального адреса V=(p,d ) в адрес реальной памяти r осуществляется следующим образом. При активизации очередного процесса в специальный регистр процессора загружается адрес таблицы отображения блоков данного процесса. В соответствии с номером блока p из таблице отображения блоков , считывается строка, в которой устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или делается отметка о том, что виртуальная страница выгружена на диск. Кроме того, в таблице страниц содержится управляющая информация, такая как признак модификации страницы, признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена), признак обращения к странице (используется для подсчета числа обращений за определенный период времени) и другие данные, формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти. К считанному физическому адресу размещения выбранного блока добавляется размер смещения d и вычисляется требуемый реальный адрес.
Рисунок 2. Преобразование виртуального адреса в реальной адрес памяти
Рассмотрим, в чем состоит стратегия управления виртуальной памятью? Аналогично управлению РОП для управления ВП имеется три категории стратегий, при имеющейся цели снизить ожидание страниц и располагать в РОП только используемые блоки.
Стратегия вталкивания , определяющая, когда следует переписать страницу или сегмент из внешней памяти в ОП.
а) вталкивание по запросу - система ожидает ссылки на страницу/сегмент от выполняющегося процесса (прерывание по отсутствию страницы);
аргументы за:
путь выполнения программы наверняка предсказать невозможно;
гарантия расположения в ОП только нужных страниц;
накладные расходы на определение требуемых страниц минимальны;
подкачка по одному блоку приводит к увеличению общего времени ожидания.
Достоинство: сокращается время ожидания.
В настоящее время быстродействие аппаратуры увеличивается , и неоптимальные решения не приводят к уменьшению эффективности вычислительных систем.
Стратегия размещения, определяющая, куда поместить поступающую страницу/сегмент. В страничных системах - тривиально: в любой свободный блок (страница имеет фиксированный размер). В сегментных системах те же самые стратегии, что и для реальной ОП (в первую подходящую область, в наиболее подходящую, в наименее подходящую).
Стратегия выталкивания (замещения), определяющая, какую страницу/сегмент удалить из ОП для освобождения места поступающей страницы.
Здесь основная проблема "пробуксовки ", при которой вытолкнутая страница в следующий момент должна вновь размещаться в РОП.
Рассмотрим процедуры определения блоков для выталкивания из ОП.
а) выталкивание случайной страницы - в реальных системах не применяется;
б) выталкивание первой пришедшей страницы (FIFO - очередь). Для ее реализации необходимо устанавливать временные метки страниц.
Аргумент : у страницы уже были возможности использовать свой шанс.
Фактически : большая вероятность заместить активно используемые страницы, поскольку нахождение страниц длительное время может означать, что она постоянно в работе. Например, используемый редактор текстов.
в) выталкивание дольше всего неиспользованных страниц.
Для реализации необходимо реализовать обновляемые временные метки. Эвристический аргумент : - недавнее прошлое - хороший ориентир на будущее.
Недостаток - существенные издержки: постоянное обновление временных меток.
г) выталкивание реже всего используемых страниц - предполагает наличие счетчиков страниц (менее интенсивно, нежели обновляемые временные метки). Интуитивно оправдано, но тоже может быть не рационально.
д) выталкивание не использующихся в последнее время страниц - самыйраспространенный алгоритм с малыми издержками. Реализуется двумя аппаратными битами на страницу:
1.признак обращения 0 - было
1 - не было.
2.признак модификации записи 0 - неизменен.
1 - изменен.
Возможны следующие варианты комбинаций { 00,10,01,11}. Если изменений на странице не было , то страницу можно просто переписать, а не сохранять на диске.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Принципы обмена информацией между иерархическими уровнями подсистемы памяти.
2. Основные функции и основные подсистемы вычислительной системы.
3. Принцип действия ассоциативной кэш-памяти.
4. Реализация прерываний от периферийных устройств, подключенных через последовательный интерфейс.
5. Что такое кольца защиты?
6. Что такое сегментация оперативной памяти?
7. Основные особенности видеоданных. Матричное и графическое представление видеоинформации.
8. Что такое файл? Различия между файлом и каталогом.
9. Основные стадии конвейера современных процессоров.
10. Что такое переименование регистров?
Вопрос № 1. Принципы обмена информацией между иерархическими уровнями подсистемы памяти
В основе реализации иерархии памяти современных компьютеров лежат два принципа: принцип локальности обращений и соотношении стоимость/ прозводительность. Принцип локальности обращений говорит о том, что большинство программ к счастью не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.
Иерархия памяти современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем более высокий уровень меньше по объему, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и так далее, пока мы не достигнем основания иерархии.
Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени мы имеем дело только с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком. Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.
Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются соответственно попаданием (hit) или промахом (miss). Попадание - есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне. Доля попаданий (hit rate) или коэффициент попаданий (hit ratio) есть доля обращений, найденных на более высоком уровне. Иногда она представляется процентами. Доля промахов (miss rate) есть доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.
Поскольку повышение производительности является главной причиной появления иерархии памяти, частота попаданий и промахов является важной характеристикой. Время обращения при попадании (hit time) есть время обращения к более высокому уровню иерархии, которое включает в себя, в частности, и время, необходимое для определения того, является ли обращение попаданием или промахом. Потери на промах (miss penalty) есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство (обычно в процессор). Потери на промах далее включают в себя две компоненты: время доступа (access time) - время обращения к первому слову блока при промахе, и время пересылки (transfer time) - дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней.
Вопрос № 2. Основные функции и основные подсистемы вычислительной системы
ОС - это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для повышения эффективности аппаратуры компьютера путем рационального управления его ресурсами, а также для обеспечения удобств пользователю путем предоставления ему расширенной виртуальной машины. К числу основных ресурсов, управление которыми осуществляет ОС, относятся процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Для решения задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС. Наиболее важными подсистемами ОС являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а также подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.
Основные функции:
* Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
* Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).
* Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).
* Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.
* Обеспечение пользовательского интерфейса.
* Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.
Дополнительные функции:
* Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
* Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.
* Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.
* Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация. Процесс -- это динамический объект, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или сама операционная система решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы. Пользователь -- лицо или организация, которое использует действующую систему для выполнения конкретной функции. Файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Основными целями использования файлов являются: долговременное и надежное хранение информации, а также совместный доступ к данным.
Вопрос № 3. Принцип действия ассоциативной кэш-памяти
В ассоциативной памяти элементы выбираются не по адресу, а по содержимому. Поясним последнее понятие более подробно. Для памяти с адресной организацией было введено понятие минимальной адресуемой единицы (МАЕ) как порции данных, имеющей индивидуальный адрес. Введем аналогичное понятие для ассоциативной памяти, и будем эту минимальную единицу хранения в ассоциативной памяти называть строкой ассоциативной памяти (СтрАП). Каждая СтрАП содержит два поля: поле тега (англ. tag - ярлык, этикетка, признак) и поле данных. Запрос на чтение к ассоциативной памяти словами можно выразить следующим образом: выбрать строку (строки), у которой (у которых) тег равен заданному значению.
Особо отметим, что при таком запросе возможен один из трех результатов:
1. имеется в точности одна строка с заданным тегом;
2. имеется несколько строк с заданным тегом;
3. нет ни одной строки с заданным тегом.
Поиск записи по признаку - это действие, типичное для обращений к базам данных, и поиск в базе зачастую является ассоциативным поиском. Для выполнения такого поиска следует просмотреть все записи и сравнить заданный тег с тегом каждой записи. Это можно сделать и при использовании для хранения записей обычной адресуемой памяти (и понятно, что это потребует достаточно много времени - пропорционально количеству хранимых записей!). Об ассоциативной памяти говорят тогда, когда ассоциативная выборка данных из памяти поддержана аппаратно. При записи в ассоциативную память элемент данных помещается в СтрАП вместе с присущим этому элементу тегом. Для этого можно использовать любую свободную СтрАП.
В начале работы КЭШ-память пуста. При выполнении первой же команды во время выборки ее код, а также еще несколько соседних байтов программного кода, - будут перенесены (медленно) в одну из строк КЭШа, и одновременно старшая часть адреса будет записана в соответствующий тег. Так происходит заполнение КЭШ-строки.
Если следующие выборки возможны из этого участка, они будут сделаны уже из КЭШа (быстро) - "КЭШ-попадание". Если же окажется, что нужного элемента в КЭШе нет, - "КЭШ-промахом". В этом случае обращение происходит к ОЗУ (медленно), и при этом одновременно заполняется очередная КЭШ-строка.
Обращение к КЭШу происходит следующим образом. После формирования исполнительного адреса его старшие биты, образующие тег, аппаратно (быстро) и одновременно сравниваются с тегами всех КЭШ-строк. При этом возможны только две ситуации из трех, перечисленных ранее: либо все сравнения дадут отрицательный результат (КЭШ-промах), либо положительный результат сравнения будет зафиксирован в точности для одной строки (КЭШ-попадание).
При считывании, если зафиксировано КЭШ-попадание, младшие разряды адреса определяют позицию в КЭШ-строке, начиная с которой следует выбирать байты, а тип операции определяет количество байтов. Очевидно, что если длина элемента данных превышает один байт, то возможны ситуации, когда этот элемент (частями) расположен в двух (или более) разных КЭШ-строках, тогда время на выборку такого элемента увеличится. Противодействовать этому можно, выравнивая операнды и команды по границам КЭШ-строк, что и учитывают при разработке оптимизирующих трансляторов или при ручной оптимизации кода.
Если произошел КЭШ-промах, а в КЭШе нет свободных строк, необходимо заменить одну строку КЭШа на другую строку.
Основная цель стратегии замещения - удерживать в КЭШ-памяти строки, к которым наиболее вероятны обращения в ближайшем будущем, и заменять строки, доступ к которым произойдет в более отдаленном времени или вообще не случится. Очевидно, что оптимальным будет алгоритм, который замещает ту строку, обращение к которой в будущем произойдет позже, чем к любой другой строке-КЭШ.
Вопрос № 4. Реализация прерываний от периферийных устройств, подключенных через последовательный интерфейс
Последовательный интерфейс для передачи данных в одну сторону использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Такой способ передачи определяет название интерфейса и порта, его реализующего (Serial Interface и Serial Port). Последовательная передача данных может осуществляться в синхронном и асинхронном режимах.
При асинхронной передачи каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале очередной посылки, за которой следуют биты данных или бит паритета (конроля четности). Завершает посылку стоп-бит.
Формат асинхронной посылки позволяют выявить возможные ошибки передачи.
Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым плотно следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. При передаче больших массивов данных накладные расходы на синхронизацию в данном режиме необходима будет ниже, чем в асинхронном.
Прерывание (англ. interrupt) -- сигнал, сообщающий процессору о совершении какого-либо асинхронного события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, и управление переда?тся обработчику прерывания, который выполняет работу по обработке события и возвращает управление в прерванный код. Виды прерываний: Аппаратные (англ. IRQ - Interrupt Request) -- события от периферийных устройств (например, нажатия клавиш клавиатуры, движение мыши, сигнал от таймера, сетевой карты или дискового накопителя) -- внешние прерывания, или события в микропроцессоре -- (например, деление на ноль) -- внутренние прерывания; Программные -- инициируются выполняемой программой, т.е. уже синхронно, а не асинхронно. Программные прерывания могут служить для вызова сервисов операционной системы.
Прерывания требуют приостановки выполнения текущего потока инструкций (с сохранением состояния) и запуска исполнения процедуры-обработчика прерывания ISR (Interrupt Service Routine). Эта процедура первым делом должна идентифицировать источник прерывания (а их может быть и несколько), затем выполнить действия, связанные с реакцией на событие. Если события должны вызывать некоторые действия прикладной программы, то обработчику прерывания следует только подать сигнал (через ОС), запускающий (или пробуждающий) поток инструкций, выполняющий эти действия. Собственно процедура ISR должна быть оптимизирована по затраченному времени. Обслуживание прерываний, особенно в защищенном режиме, в PC-совместимых компьютерах на процессорах x86 связано со значительными накладными расходами. По этой причине их число стараются сократить. Значительные хлопоты доставляет идентификация источника прерывания -- в архитектуре PC-совместимых компьютеров для этого используются традиционные, но неэффективные механизмы. В ряде случаев прерывания от устройств заменяют поллингом -- программно-управляемым опросом состояния устройств. При этом состояния множества устройств опрашивают по прерыванию от таймера.
Вопрос № 5. Что такое кольца защиты?
Кольца защиты - архитектура информационной безопасности и функциональной отказоустойчивости, реализующая аппаратное разделение системного и пользовательского уровней привилегий. Структуру привилегий можно изобразить в виде нескольких концентрических кругов. В этом случае системный режим (режим супервизора или нулевое кольцо, т.н. «кольцо 0»), обеспечивающий максимальный доступ к ресурсам, является внутренним кругом, тогда как режим пользователя с ограниченным доступом - внешним. Традиционно семейство микропроцессоров х86 обеспечивает 4 кольца защиты.
Поддержка нескольких колец защиты была одной из революционных концепций, включенных в операционную систему Multics, предшественника сегодняшних UNIX-подобных операционных систем.
Оригинальная система Multics имела 8 колец защиты, но многие современные системы имеют как правило меньше. Процессор всегда знает в каком кольце исполняется код, благодаря специальным машинным регистрам.
Механизм колец строго ограничивает пути, с помощью которых управление можно передать от одного кольца к другому. Существует некоторая инструкция, которая передает контроль из менее защищенного в более защищенное (с меньшим номером) кольцо. Этот механизм разработан для того, чтобы ограничить возможности случайного или намеренного нарушения безопасности.
Эффективное использование архитектуры защиты колец требует тесного взаимодействия между аппаратными средствами и операционной системой. Операционные системы разрабатывающиеся так, чтобы они работали на большом кол-ве платформ могут иметь различную реализацию механизма колец на каждой платформе.
Вопрос № 6. Что такое сегментация оперативной памяти?
Сегментация (segmentation) - это прием организации программ, при котором адресная структура программы отражает ее содержательное членение. При сегментации пространство адресов каждой программы подразделяется на сегменты различной длины, которые соответствуют содержательно разным частям программы. Например, сегментом может быть процедура или область данных. В этом случае адрес состоит из имени сегмента и адреса внутри сегмента -смещения. Поскольку к программным сегментам обращаются по именам, можно при распределении памяти размещать сегменты в несмежных областях памяти, более того, не все сегменты должны одновременно находится в ОП, часть из них может находится во внешней памяти и преемещаться в ОП по мере необходимости.
Как уже указывалось, в системе с сегментацией каждый адрес представляет пару : s - имя сегмента и d - смещение. Каждой программе соответствует всегда присутствующая в памяти таблица сегментов, в которой каждому сегменту данного процесса соответствует одна запись. С помощью этой таблицы система отображает программные адреса в истинные адреса ОП. Адрес таблицы хранится в аппаратном регистре, называемом регистром таблицы сегментов.
Вычисление адреса при сегментации производится следующим образом. Прежде чем система сможет вычислить адрес, аппаратным путем проверяется признак присутствия сегмента в ОП. Если сегмент присутствует, то с помощью регистра таблицы сегментов производится обращение к s-ой строке таблицы сегментов, где указан адрес сегмента в памяти. Поскольку сегменты бывают различной длины, необходимо знать границу сегмента для предотвращения обращения за пределы заданного сегмента.
Если в какой-то момент система пожелает переключить свое внимание на другой процесс, она просто заменят содержимое регистра таблицы сегментов на адрес другой таблицы сегментов, после чего ссылки вида интерпретируются в соответствии с новой таблицей.
У сегментации пространства адресов множество преимуществ по сравнению с абсолютной адресацией, и главное - это эффективное использование оперативной памяти. Если в ОП недостаточно места для всех сегментов данной программы, некоторые могут временно располагаться во вспомогательной памяти. Если какой-то программе потребовалось ввести в ОП новый сегмент, то система может любой сегмент убрать из ОП во вспомогательную. Вытесняемому сегменту не обязательно принадлежать той программе, для которой в ОП вводится новый сегмент. Какой таблице сегментов соответствует вытесняемый сегмент не имеет значения, главное, чтобы при переводе его во вспомогательную память в соответствующей таблице сегментов изменилось значение признака.
Вопрос № 7. Основные особенности видеоданных. Матричное и графическое представление видеоинформации
Видеоинформация бывает как статической, так и динамической. Статическая видеоинформация включает в себя текст, рисунки, графики, чертежи, таблицы и др. Рисунки делятся также на плоские - двумерные и объемные - трехмерные.
Динамическая видеоинформация - это видеофильмы и мультипликация, использующаяся для передачи движущихся изображений. В их основе лежит последовательное экспонирование на экране в реальном масштабе времени отдельных кадров в соответствии со сценарием.
Демонстрация анимационных и слайд-фильмов опирается на различные принципы. Анимационные фильмы демонстрируются так, чтобы зрительный аппарат человека не мог зафиксировать отдельных кадров. Для получения качественной анимации кадры должны сменяться порядка 30 раз в секунду. При демонстрации слайд-фильмов каждый кадр экспонируется на экране столько времени, сколько необходимо для восприятия его человеком (обычно от 30 с до 1 мин). Слайд-фильмы можно отнести к статической видеоинформации.
В вычислительной технике существует два способа представления графических изображений; матричный (растровый)и векторный. Матричные (bitmap) форматы хорошо подходят для изображений со сложными гаммами цветов, оттенков и форм, таких как фотографии, рисунки, отсканированные данные. Векторные форматы более приспособлены для чертежей и изображений с простыми формами, тенями и окраской.
В матричных форматах изображение представляется прямоугольной матрицей точек -- пикселов (picture element), положение которых в матрице соответствует координатам точек на экране. Помимо координат каждый пиксел характеризуется своим цветом, цветом фона или градацией яркости. Количество битов, выделяемых для указания цвета пиксела, изменяется в зависимости от формата. В высококачественных изображениях цвет пиксела описывают 24 битами, что дает около 16 миллионов цветов. Основной недостаток матричной (растровой) графики заключается в большой емкости памяти, требуемой для хранения изображения, из-за чего для описания изображений прибегают к различным методам сжатия данных. В настоящее время существует множество форматов графических файлов, различающихся алгоритмами сжатия и способами представления матричных изображений, а также сферой применения.
Векторное представление, в отличие от матричной графики, определяет описание изображения не пикселями, а кривыми - сплайнами. Сплайн - это гладкая кривая, которая проходит через две или более опорные точки, управляющие формой сплайна.
Основное достоинство векторной графики состоит в том, что описание объекта является простым и занимает мало памяти. Кроме того, векторная графика в сравнении с матричной имеет следующие преимущества:
Простота масштабирования изображения без ухудшения его качества;
Независимость емкости памяти, требуемой для храпения изображения, от выбранной цветовой модели.
Недостатком векторных изображений является их некоторая искусственность, заключающаяся в том, что любое изображение необходимо разбить на конечное множество составляющих его примитивов. Как и для матричной графики, существует несколько форматов графических векторных файлов.
Матричная и векторная графика существуют не обособленно друг от друга. Так, векторные рисунки могут включать в себя и матричные изображения. Кроме того, векторные и матричные изображения могут быть преобразованы друг в друга. Графические форматы, позволяющие сочетать матричное и векторное описание изображения, называютсяметафайлами. Метафайлы обеспечивают достаточную компактность файлов с сохранением высокого качества изображения.
Рассмотренные формы представления статической видеоинформации используются, в частности, для отдельных кадров, образующих анимационные фильмы. Для хранения анимационных фильмов применяются различные методы сжатия информации, большинство из которых стандартизовано.
Вопрос № 8. Что такое файл? Различия между файлом и каталогом
вычислительный память оперативный видеоданные
Файл (англ. file - скоросшиватель) - концепция в вычислительной технике: сущность, позволяющая получить доступ к какому-либо ресурсу вычислительной системы и обладающая рядом признаков:
Фиксированное имя (последовательность символов, число или что-то иное, однозначно характеризующее файл);
Определённое логическое представление и соответствующие ему операции чтения/записи.
Может быть любой - от последовательности бит(хотя читаем именно байтами, а точнее словами-группами из байт, по четыре, по восемь, по шестнадцать) до базы данных с произвольной организацией или любым промежуточным вариантом; многомерной базой данных, строго упорядоченной.
Первому случаю соответствуют операции чтения/записи потока и/или массива (то есть последовательные или с доступом по индексу), второму - команды СУБД. Промежуточные варианты - чтение и разбор всевозможных форматов файлов.
Файл - поименованная совокупность байтов произвольной длины, находящихся на носителе информации, а каталог это - поименнованное место на диске, в котором хранятся файлы. Полное имя файла может включать в себя каталоги, как C:\papka\file.txt, может и не включать C:\file.txt, а каталог это то, в чем могут быть расположены файлы: C:\papka. Каталог нельзя открыть в программе, чтобы записать в него какую-то информацию или прочитать, он для хранения файлов внутри себя, файл же наоборот - его можно открыть и отредактировать.
Вопрос № 9. Основные стадии конвейера современных процессоров
Основная задача процессора - выполнять (и как можно быстрее) команды, входящие в программу. Самый простой путь (повышение тактовой частоты процессора) достаточно быстро исчерпывается технологическими ограничениями. Поэтому приходится искать другие способы повысить производительность. Именно набор архитектурных новшеств позволил повысить производительность Pentium по сравнению с 486-ми процессорами. Самое важное из них - конвейер.
Выполнение команды состоит из ряда этапов:
1) чтение команды из памяти,
2) определение длины,
3) определение адреса ячейки памяти, если она используется,
4) выполнение команды,
5) сохранение результата.
В ранних процессорах все эти этапы над каждой командой проводились полностью. Конвейер позволил ускорить процесс: после того, как команда проходила один из этапов и переходила на следующий, начиналась обработка следующей команды. Это решение появилось в последних 486-х (например, в AMD 5х86-133). В Pentium впервые появился двойной конвейер. Команды смогли выполняться параллельно (кроме плавающей арифметики и команд перехода). Это позволило повысить производительность примерно на 30-35%.
Вопрос № 10. Что такое переименование регистров?
Переименование регистров -- метод ослабления взаимозависимостей инструкций, применяемый в процессорах, осуществляющих их внеочередное исполнение.
В том случае, если в соответствии с двумя или более инструкциями необходимо осуществить запись данных в один регистр, их корректное внеочередное исполнение становится невозможным даже в том случае, если при этом нет зависимости по данным. Такие взаимозависимости часто называют ложными.
Так как количество архитектурных регистров обычно ограничено, вероятность возникновения ложных взаимозависимостей достаточно велика, что может привести к снижению производительности процессора.
Переименование регистров представляет собой преобразование программных ссылок на архитектурные регистры в ссылки на физические регистры и позволяет ослабить влияние ложных взаимозависимостей за счёт использования большого количества физических регистров вместо ограниченного количества архитектурных. При этом процессор отслеживает, состояние каких физических регистров соответствует состоянию архитектурных, а выдача результатов осуществляется в порядке, который предусмотрен программой.
Источники
Интернет-ресурс - http://www.chinapads.ru/
Рязанцев О.І., Недзельський Д.О., Гусєва С.В. Архітектурна та структурна організація обчислювальних систем. Навчальний посібник. - Луганськ: Вид-во. СНУ ім. В.Даля, 2008.
Интернет-ресурс - http://studopedia.net/
Интернет-ресурс - http://proc.ucoz.ru/load/ustrojstvo_processora/1-1-0-2
Э.Танненбаум. Архитектура компьютера, 4-изд. СПб. Питер 2006.
Интернет-ресурс - http://193.108.240.69/moodle/file.php/5/navch_pos_OS.doc
Интернет-ресурс - http://znanija.com/task/1788585
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Классификация компьютерной памяти. Использование оперативной, статической и динамической оперативной памяти. Принцип работы DDR SDRAM. Форматирование магнитных дисков. Основная проблема синхронизации. Теория вычислительных процессов. Адресация памяти.
курсовая работа , добавлен 28.05.2016
История появления и развития оперативной памяти. Общая характеристика наиболее популярных современных видов оперативной памяти - SRAM и DRAM. Память с изменением фазового состояния (PRAM). Тиристорная память с произвольным доступом, ее специфика.
курсовая работа , добавлен 21.11.2014
Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с ЦП. Устройство и принципы функционирования оперативной памяти. Эволюция динамической памяти. Модуль памяти EDO-DRAM BEDO (Burst EDO) - пакетная EDO RAM. Модуль памяти SDRAM, DDR SDRAM, SDRAM II.
реферат , добавлен 13.12.2009
Понятие, виды и основные функции памяти компьютера - части вычислительной машины, физического устройства для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определенного времени. Принципиальная схема оперативной памяти. Гибкие магнитные диски.
презентация , добавлен 18.03.2012
Память для вычислительных систем ее создание и характеристика особенностей. Создание устройств памяти и основные эксплуатационные характеристики. Функциональные схемы и способ организации матрицы запоминающих элементов. Виды магнитной и флеш памяти.
презентация , добавлен 12.01.2009
Хранение различной информации как основное назначение памяти. Характеристика видов памяти. Память типа SRAM и DRAM. Кэш-память или сверхоперативная память, ее специфика и области применения. Последние новинки разработок в области в оперативной памяти.
презентация , добавлен 01.12.2014
Обобщение основных видов и назначения оперативной памяти компьютера. Энергозависимая и энергонезависимая память. SRAM и DRAM. Триггеры, динамическое ОЗУ и его модификации. Кэш-память. Постоянное запоминающее устройство. Флэш-память. Виды внешней памяти.
курсовая работа , добавлен 17.06.2013
Улучшение параметров модулей памяти. Функционирование и взаимодействие операционной системы с оперативной памятью. Анализ основных типов, параметров оперативной памяти. Программная часть с обработкой выполнения команд и размещением в оперативной памяти.
курсовая работа , добавлен 02.12.2009
Общее устройство микропроцессора. Структура 64-битной подсистемы памяти. Селекция портов ввода/вывода. Особенности интерфейса микропроцессорных систем. Проектирование подсистемы памяти на базе Itanium 2. Расчёт информативности и необходимых объёмов.
курсовая работа , добавлен 05.12.2012
Понятие и функциональные особенности запоминающих устройств компьютера, их классификация и типы, сравнительная характеристика: ROM, DRAM и SRAM. Оценка преимуществ и недостатков каждого типа оперативной памяти, направления и пути их использования.
Организация памяти МПС. Сегментация памяти. Вычисление адреса. Внутренняя КЭШ память .
Память микропроцессорной системы выполняет функцию временного или постоянного хранения данных и команд. Объем памяти определяет допустимую сложность выполняемых системой алгоритмов, а также в некоторой степени и скорость работы системы в целом. Модули памяти выполняются на микросхемах памяти (оперативной или постоянной). Все чаще в составе микропроцессорных систем используется флэш-память (англ. – flash memory), которая представляет собой энергонезависимую память с возможностью многократной перезаписи содержимого.
Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рисунок7.4.1).
Рисунок 7.4.1. Схема подключения модуля памяти.
В пространстве памяти микропроцессорной системы обычно выделяются несколько особых областей, которые выполняют специальные функции. К ним относятся:
– память программы начального запуска, выполненная на ПЗУ или флэш-памяти;
– память для стека или стек (Stack) – это часть оперативной памяти, предназначенная для временного хранения данных;
– таблица векторов прерываний, содержащая адреса начала программ обработки прерываний;
– память устройств, подключенных к системной шине.
Все остальные части пространства памяти, как правило, имеют универсальное назначение. В них могут располагаться как данные, так и программы (конечно, в случае одношинной архитектуры).
Часто пространство памяти делится на сегменты с программно изменяемым адресом начала сегмента и с установленным размером сегмента. Например, в процессоре Intel 8086 сегментирование памяти организовано следующим образом.
Вся память системы представляется не в виде непрерывного пространства, а в виде нескольких кусков – сегментов заданного размера (по 64 Кбайта), положение которых в пространстве памяти можно изменять программным путем.
Для хранения кодов адресов памяти используются не отдельные регистры, а пары регистров:
Сегментный регистр определяет адрес начала сегмента (то есть положение сегмента в памяти);
Регистр указателя (регистр смещения) определяет положение рабочего адреса внутри сегмента.
При этом физический 20-разрядный адрес памяти, выставляемый на внешнюю шину адреса, образуется так, как показано на рисунке7.4.2, то есть путем сложения смещения и адреса сегмента со сдвигом на 4 бита.
Рисунок 7.4.2. Формирование физического адреса памяти из адреса сегмента и смещения.
Положение этого адреса в памяти показано на рисунке7.4.3.
Рисунок 7.4.3. Положение физического адреса в памяти
Сегмент может начинаться только на 16-байтной границе памяти (так как адрес начала сегмента, по сути, имеет четыре младших нулевых разряда, как видно из рисунка 7.4.2), то есть с адреса, кратного 16. Эти допустимые границы сегментов называются границами параграфов.
Отметим, что введение сегментирования, прежде всего, связано с тем, что внутренние регистры процессора 16-разрядные, а физический адрес памяти 20-разрядный (16-разрядный адрес позволяет использовать память только в 64 Кбайт, что явно недостаточно).
Кэш–память располагается между основной памятью (ОП) и центральным процессором для снижения затрат времени на обращение ЦП к ОП.
Идея кэш-памяти основана на прогнозировании наиболее вероятных обращений ЦП к ОП. Наиболее «вероятные» данные и команды копируются в быструю, работающую в темпе ЦП, кэш-память до начала их непосредственного использования ЦП, так что обращение к данным и командам, используемым в текущий момент времени, может происходить быстро, без обращения к ОП. В основу такого подхода положен принцип локальности программы или, как еще говорят, гнездовой характер обращений, имея в виду, что адреса последовательных обращений к ОП образуют, как правило, компактную группу. При обращении к ОП в кэш-память копируются не отдельные данные, а блоки информации, включающие те данные, которые с большой степенью вероятности будут использованы в ЦП на последующих шагах работы. В связи с этим последующие команды выбираются ЦП уже не из ОП, а из быстрой кэш-памяти. Когда ЦП нужно считать или записать некоторое данное в ОП, он сначала проверяет его наличие в кэш-памяти. Эффективность кэш-системы зависит от размера блока и алгоритма программ.
Организация подсистемы памяти в ПК
Запоминающие устройства (ЗУ) подсистемы памяти ПК можно выстроить в следующую иерархию (табл. 9.1):
| Таблица 9.1. Иерархия подсистемы памяти ПК | ||||||||
| № | Тип ЗУ | 1985 г. | 2000 г. | |||||
| Время выборки | Типичный объем | Цена / байт | Время выборки | Типичный объем | Цена / байт | |||
| Сверхоперативные ЗУ (регистры) | 0,2 5 нс | 16/32 бит | $ 3 - 100 | 0,01 1 нс | 32/64/128 бит | $ 0,1 10 | ||
| Быстродействующее буферное ЗУ (кэш) | 20 100 нс | 8Кб - 64Кб | ~ $ 10 | 0,5 - 2 нс | 32Кб 1Мб | $ 0,1 - 0,5 | ||
| Оперативное (основное) ЗУ | ~ 0,5 мс | 1Мб - 256Мб | $ 0,02 1 | 2 нс 20 нс | 128Мб - 4Гб | $ 0,01 0,1 | ||
| Внешние ЗУ (массовая память) | 10 - 100 мс | 1Мб - 1Гб | $ 0,002 - 0,04 | 5 - 20 мс | 1Гб - 0,5Тб | $ 0,001 - 0,01 |
Регистры процессора составляют его контекст и хранят данные, используемые исполняющимися в конкретный момент командами процессора. Обращение к регистрам процессора происходит, как правило, по их мнемоническим обозначениям в командах процессора.
Кэш используется для согласования скорости работы ЦП и основной памяти. В вычислительных системах используют многоуровневый кэш: кэш I уровня (L1), кэш II уровня (L2) и т.д. В настольных системах обычно используется двухуровневый кэш, в серверных - трехуровневый. Кэш хранит команды или данные, которые с большой вероятностью в ближайшее время поступят процессору на обработку. Работа кэш-памяти прозрачна для программного обеспечения, поэтому кэш-память обычно программно недоступна.
Оперативная память хранит, как правило, функционально-законченные программные модули (ядро операционной системы, исполняющиеся программы и их библиотеки, драйверы используемых устройств и т.п.) и их данные, непосредственно участвующие в работе программ, а также используется для сохранения результатов вычислений или иной обработки данных перед пересылкой их во внешнее ЗУ, на устройство вывода данных или коммуникационные интерфейсы.
Каждой ячейке оперативной памяти присвоен уникальный адрес. Организационные методы распределения памяти предоставляют программистам возможность эффективного использования всей компьютерной системы. К таким методам относят сплошную ("плоскую") модель памяти и сегментированную модель памяти. При использовании сплошной модели (flat model) памяти программа оперирует единым непрерывным адресным пространством линейным адресным пространством, в котором ячейки памяти нумеруются последовательно и непрерывно от 0 до 2n-1, где n - разрядность ЦП по адресу. При использовании сегментированной модели (segmented model) для программы память представляется группой независимых адресных блоков, называемых сегментами. Для адресации байта памяти программа должна использовать логический адрес, состоящий из селектора сегмента и смещения. Селектор сегмента выбирает определенный сегмент, а смещение указывает на конкретную ячейку в адресном пространстве выбранного сегмента.
Организационные методы распределения памяти позволяют организовать вычислительную систему, в которой рабочее адресное пространство программы превышает размер фактически имеющейся в системе оперативной памяти, при этом недостаток оперативной памяти заполняется за счет внешней более медленной или более дешевой памяти (винчестер, флэш-память и т.п.) Такую концепцию называют виртуальной памятью. При этом линейное адресное пространство может быть отображено на пространство физических адресов либо непосредственно (линейный адрес есть физический адрес), либо при помощи механизма страничной трансляции. Во втором случае линейное адресное пространство делится на страницы одинакового размера, которые составляют виртуальную память. Страничная трансляция обеспечивает отображение требуемых страниц виртуальной памяти в физическое адресное пространство.
Кроме реализации системы виртуальной памяти внешние ЗУ используются для долговременного хранения программ и данных в виде файлов.
Кэш-память
Кэш-память представляет собой быстродействующее ЗУ, размещенное на одном кристалле с ЦП или внешнее по отношению к ЦП. Кэш служит высокоскоростным буфером между ЦП и относительно медленной основной памятью. Идея кэш-памяти основана на прогнозировании наиболее вероятных обращений ЦП к оперативной памяти. В основу такого подхода положен принцип временной и пространственной локальности программы.
Если ЦП обратился к какому-либо объекту оперативной памяти, с высокой долей вероятности ЦП вскоре снова обратится к этому объекту. Примером этой ситуации может быть код или данные в циклах. Эта концепция описывается принципом временной локальности, в соответствии с которым часто используемые объекты оперативной памяти должны быть "ближе" к ЦП (в кэше).
Для согласования содержимого кэш-памяти и оперативной памяти используют три метода записи:
- Сквозная запись (write through) - одновременно с кэш-памятью обновляется оперативная память.
- Буферизованная сквозная запись (buffered write through) - информация задерживается в кэш-буфере перед записью в оперативную память и переписывается в оперативную память в те циклы, когда ЦП к ней не обращается.
- Обратная запись (write back) - используется бит изменения в поле тега, и строка переписывается в оперативную память только в том случае, если бит изменения равен 1.
Как правило, все методы записи, кроме сквозной, позволяют для увеличения производительности откладывать и группировать операции записи в оперативную память.
В структуре кэш-памяти выделяют два типа блоков данных:
- память отображения данных (собственно сами данные, дублированные из оперативной памяти);
- память тегов (признаки, указывающие на расположение кэшированных данных в оперативной памяти).
Пространство памяти отображения данных в кэше разбивается на строки - блоки фиксированной длины (например, 32, 64 или 128 байт). Каждая строка кэша может содержать непрерывный выровненный блок байт из оперативной памяти. Какой именно блок оперативной памяти отображен на данную строку кэша, определяется тегом строки и алгоритмом отображения. По алгоритмам отображения оперативной памяти в кэш выделяют три типа кэш-памяти:
- полностью ассоциативный кэш;
- кэш прямого отображения;
- множественный ассоциативный кэш.
Для полностью ассоциативного кэша характерно, что кэш-контроллер может поместить любой блок оперативной памяти в любую строку кэш-памяти (рис. 9.1). В этом случае физический адрес разбивается на две части: смещение в блоке (строке кэша) и номер блока. При помещении блока в кэш номер блока сохраняется в теге соответствующей строки. Когда ЦП обращается к кэшу за необходимым блоком, кэш-промах будет обнаружен только после сравнения тегов всех строк с номером блока.
Одно из основных достоинств данного способа отображения - хорошая утилизация оперативной памяти, т.к. нет ограничений на то, какой блок может быть отображен на ту или иную строку кэш-памяти. К недостаткам следует отнести сложную аппаратную реализацию этого способа, требующую большого количества схемотехники (в основном компараторов), что приводит к увеличению времени доступа к такому кэшу и увеличению его стоимости.
Увеличить изображение
Рис. 9.1.
Полностью ассоциативный кэш 8х8 для 10-битного адреса
Альтернативный способ отображения оперативной памяти в кэш - это кэш прямого отображения (или одновходовый ассоциативный кэш). В этом случае адрес памяти (номер блока) однозначно определяет строку кэша, в которую будет помещен данный блок. Физический адрес разбивается на три части: смещение в блоке (строке кэша), номер строки кэша и тег. Тот или иной блок будет всегда помещаться в строго определенную строку кэша, при необходимости заменяя собой хранящийся там другой блок. Когда ЦП обращается к кэшу за необходимым блоком, для определения удачного обращения или кэш-промаха достаточно проверить тег лишь одной строки.
Очевидными преимуществами данного алгоритма являются простота и дешевизна реализации. К недостаткам следует отнести низкую эффективность такого кэша из-за вероятных частых перезагрузок строк. Например, при обращении к каждой 64-й ячейке памяти в системе на рис. 9.2 кэш-контроллер будет вынужден постоянно перегружать одну и ту же строку кэш-памяти, совершенно не задействовав остальные.
Увеличить изображение
Рис. 9.2.
Кэш прямого отображения 8х8 для 10-битного адреса
Несмотря на очевидные недостатки, данная технология нашла успешное применение, например, в МП Motorola MC68020, для организации кэша инструкций первого уровня (рис. 9.3). В данном микропроцессоре реализован кэш прямого отображения из 64 строк по 4 байт. Тег строки, кроме 24 бит, задающих адрес кэшированного блока, содержит бит значимости, определяющий действительность строки (если бит значимости 0, данная строка считается недействительной и не вызовет кэш-попадания). Обращения к данным не кэшируются.
Увеличить изображение
Рис. 9.3.
Схема организации кэш-памяти в МП Motorola MC68020
Компромиссным вариантом между первыми двумя алгоритмами является множественный ассоциативный кэш или частично-ассоциативный кэш (рис. 9.4). При этом способе организации кэш-памяти строки объединяются в группы, в которые могут входить 2, 4, : строк. В соответствии с количеством строк в таких группах различают 2-входовый, 4-входовый и т.п. ассоциативный кэш. При обращении к памяти физический адрес разбивается на три части: смещение в блоке (строке кэша), номер группы (набора) и тег. Блок памяти, адрес которого соответствует определенной группе, может быть размещен в любой строке этой группы, и в теге строки размещается соответствующее значение. Очевидно, что в рамках выбранной группы соблюдается принцип ассоциативности. С другой стороны, тот или иной блок может попасть только в строго определенную группу, что перекликается с принципом организации кэша прямого отображения. Для того чтобы процессор смог идентифицировать кэш-промах, ему надо будет проверить теги лишь одной группы (2/4/8/: строк).
Увеличить изображение
Рис. 9.4.
Двухвходовый ассоциативный кэш 8х8 для 10-битного адреса
Данный алгоритм отображения сочетает достоинства как полностью ассоциативного кэша (хорошая утилизация памяти, высокая скорость), так и кэша прямого доступа (простота и дешевизна), лишь незначительно уступая по этим характеристикам исходным алгоритмам. Именно поэтому множественный ассоциативный кэш наиболее широко распространен (табл. 9.2).
| Таблица 9.2. Характеристики подсистемы кэш-памяти у ЦП IA-32 | |||||
| Intel486 | Pentium | Pentium MMX | P6 | Pentium 4 | |
| L1 кэш команд | |||||
| Тип | 4-вх. ассоц. | 2-вх. ассоц. | 4-вх. ассоц. | 4-вх. ассоц. | 8-вх. ассоц. |
| Размер строки, байт | - | ||||
| Общий объем, Кбайт | 8/16 | 8/16 | 12Кmops | ||
| L1 кэш данных | |||||
| Тип | Общий с кэш инструкций | 2-вх. ассоц. | 4-вх. ассоц. | 2/4-вх. ассоц. | 4-вх. ассоц. |
| Размер строки, байт | |||||
| Общий объем, Кбайт | 8/16 | ||||
| L2 кэш | |||||
| Тип | Внешний | внешний 4-вх. ассоц. | 4-вх. ассоц. | 8-вх. ассоц. | |
| Размер строки, байт | |||||
| Общий объем, Кбайт | 256/512 | 128-2048 | 256/512 |
Примечания: В Intel-486 используется единый кэш команд и данных первого уровня. В Pentium Pro L1 кэш данных - 8 Кбайт 2-входовый ассоциативный, в остальных моделях P6 - 16 Кбайт 4-входовый ассоциативный. В Pentium 4 вместо L1 кэша команд используется L1 кэш микроопераций (кэш трассы).
Для организации кэш-памяти можно использовать принстонскую архитектуру (смешанный кэш для команд и данных, например, в Intel-486). Это очевидное (и неизбежное для фон-неймановских систем с внешней по отношению к ЦП кэш-памятью) решение не всегда бывает самым эффективным. Разделение кэш-памяти на кэш команд и кэш данных (кэш гарвардской архитектуры) позволяет повысить эффективность работы кэша по следующим соображениям:
- Многие современные процессоры имеют конвейерную архитектуру, при которой блоки конвейера работают параллельно. Таким образом, выборка команды и доступ к данным команды осуществляется на разных этапах конвейера, а использование раздельной кэш-памяти позволяет выполнять эти операции параллельно.
- Кэш команд может быть реализован только для чтения, следовательно, не требует реализации никаких алгоритмов обратной записи, что делает этот кэш проще, дешевле и быстрее.
Именно поэтому все последние модели IA-32, начиная с Pentium, для организации кэш-памяти первого уровня используют гарвардскую архитектуру.
Критерием эффективной работы кэша можно считать уменьшение среднего времени доступа к памяти по сравнению с системой без кэш-памяти. В таком случае среднее время доступа можно оценить следующим образом:
T ср = (T hit x R hit) + (T miss x (1 R hit))
где T hit - время доступа к кэш-памяти в случае попадания (включает время на идентификацию промаха или попадания), T miss - время, необходимое на загрузку блока из основной памяти в строку кэша в случае кэш-промаха и последующую доставку запрошенных данных в процессор, R hit - частота попаданий.
Очевидно, что чем ближе значение R hit к 1, тем ближе значение T ср к T hit . Частота попаданий определяется в основном архитектурой кэш-памяти и ее объемом. Влияние наличия и отсутствия кэш-памяти и ее объема на рост производительности ЦП показано в табл. 9.3.
