Принцип построения устройств внутренней памяти

Памятью ЭВМ называют совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами или памятями того или иного типа. В настоящее время и ЗУ, и память стали практически синонимами.

Производительность ЭВМ и ее возможности в большой степени зависят от характеристик ЗУ, причем в любой ЭВМ общего назначения используют несколько типов ЗУ.

Основные операции:

- Запись – занесение информации в память;

- Считывание – выборка информации из памяти.

Обе этих операции называются в общем случае обращением к памяти.

При обращении к памяти происходит считывание или запись некоторой единицы данных, различной для устройств разного типа. Такой единицей может быть байт, машинное слово, блок данных.

Коротко рассмотрим важнейшие характеристики ЗУ – емкость, удельную емкость, быстродействие, которые характерны для любых типов ЗУ, а также некоторые методы их классификации.

· Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться одновременно. Емкость измеряется в битах, байтах, машинных словах (об этом говорилось в самом начале курса). Используют обычно более крупные единицы измерения: 1К = 1024 (Кбит, Кбайт, Кслов),
1024 Кбайт = 1 Мбайт, 1024 Мбайт = 1 Гбайт.

Удельная емкость определяется как отношение емкости ЗУ к его физическому объему и характеризует степень технологического совершенства ЗУ.

Удельная стоимость определяется как отношение стоимости ЗУ к его емкости и определяет, помимо технологического совершенства конкурентоспособность изделия на рынке.

Быстродействие памяти определяет продолжительность операции обращения и делится:

- на время обращения. Это время, необходимое на поиск нужной единицы информации и ее считывание;

- время обращения при записи. Это время, необходимое для поиска места для хранения данной единицы информации и ее запись в память.

В некоторых устройствах памяти считывание информации сопровождается ее разрушением (стиранием). В этом случае цикл обращения к ЗУ при считывании должен содержать операцию регенерации считываемой информации на прежнем месте в памяти. В ряде случаев ЗУ требуют перед началом записи привести запоминающие элементы в некоторое начальное состояние. В этом случае цикл обращения к ЗУ при записи должен содержать операции подготовки запоминающих элементов к самой операции записи.

1. Принцип действия. По этому признаку основные типы ЗУ, наиболее широко используемые в современных ЭВМ, делятся:

· на электронные, в которых в качестве запоминающих элементов используют полупроводники;

· магнитные с неподвижными запоминающими элементами;

· магнитомеханические с движущимися магнитными носителями информации;

· оптические с движущимся носителем информации;

· магнитооптические с движущимся носителем информации.

В качестве внутренней памяти ЭВМ в абсолютном большинстве случаев используются электронные ЗУ на полупроводниковых элементах. В редких случаях в специализированных управляющих ЭВМ используются ЗУ с неподвижными магнитными запоминающими элементами. Остальные типы устройств используются в качестве внешних памятей ЭВМ. Более подробно эти устройства рассматриваются в отдельном курсе "Периферийные устройства ЭВМ".

В настоящее время разрабатываются и исследуются многочисленные "нетрадиционные" ЗУ, а именно: ЗУ на приборах с зарядовой связью, акустоэлектронные ЗУ, пьезоэлектронные ЗУ, магнитоэлектронные ЗУ и т.д.

2. Способ реализации в памяти операций обращения. По этому признаку различают:

· Память с произвольным обращением, допускающую как считывание, так и запись информации (RAM). Это энергозависимые ЗУ (информация в них сохраняется только при наличии питания), которые используются для построения ОЗУ, кэш, СОП и т.д.

· Память постоянная, допускающая только считывание информации, заложенной в нее в процессе изготовления или настройки (ROM). Это энергонезависимые ЗУ (информация в них сохраняется при отсутствии питания), которые, в свою очередь, делятся на постоянные ЗУ (ПЗУ, EPROM) и перепрограммируемые ЗУ (ППЗУ, EEPROM). Быстродействие RAM и ROM примерно одинаковое.

Флэш ППЗУ (Flash EEPROM) – энергонезависимые перепрограммируемые ЗУ, информация в которых сохраняется до нескольких лет. Обращения к ним возможно как для записи, так и для чтения. Однако быстродействие этих ЗУ ниже, чем у RAM и ROM. Обычно флэш используются для накопления информации. Число перезаписей флэш ограничено.

3. Способ организации доступа. По этому признаку различают ЗУ с непосредственным (произвольным), с прямым (циклическим) и последовательным доступом.

Непосредственный (произвольный) доступ. В ЗУ этого типа время доступа, а поэтому и цикл обращения не зависят от места расположения элемента памяти, с которого производится считывание или в который записывается информация. В большинстве случаев это электронные ЗУ, в которых непосредственный доступ реализуется с помощью электронных логических схем. В ЗУ с произвольным доступом цикл обращения составляет от 1-2 мкс до единиц наносекунд.

Независимость от положения запоминающего элемента в запоминающем массиве имеет место только до определенной частоты обращений процессора к ЗУ. При увеличении частоты обращений до единиц наносекунд начинает сказываться геометрическое положение запоминающего элемента в массиве. Это обусловлено, прежде всего, конечной скоростью распространения электрического сигнала в изолированном проводнике, которая составляет примерно 60 % от скорости света.

Число разрядов, считываемых или записываемых в память с произвольным доступом параллельно во времени за одну операцию обращения, называется шириной выборки.

В других типах ЗУ используют более медленные электромеханические процессы, поэтому и цикл обращения больше.

Прямой (циклический) доступ. К ЗУ этого типа относятся устройства на магнитных, оптических и магнитооптических дисках, а также на магнитных барабанах (последние в настоящее время используются очень редко). Благодаря непрерывному вращению носителя информации возможность обращения к некоторому участку носителя для считывания или записи циклически повторяется. В таких ЗУ время доступа составляет обычно от долей секунды до единиц миллисекунды.

Последовательный доступ. К ЗУ этого типа относятся устройства на магнитных лентах. В процессе доступа производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое исходное положение. Время доступа в худшем случае составляет минуты, поскольку магнитофон будет вынужден осуществить перемотку всей кассеты.

 

Принцип Фон Неймана

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Как работает машина фон Неймана

Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ, арифметико-логического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.

Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.

 

БИЛЕТ 17