Особенности структуры памяти КС

Организация памяти в КС

Память – один из блоков КС состоящий из ЗУ и предназначенный для запоминания, хранения и выдачи информации (алгоритма обработки данных и самих данных).

Основными характеристиками отдельных устройств памяти (запоминающих устройств) являются емкость памяти, быстродействие и стоимость хранения единицы информации (бита).

Быстродействие (задержка) памяти определяется временем доступа и длительностью цикла памяти. Время доступа представляет собой промежуток времени между выдачей запроса на чтение и моментом поступления запрошенного слова из памяти. Длительность цикла памяти определяется минимальным временем между двумя последовательными обращениями к памяти.

Требования к увеличению емкости и быстродействия памяти, а также к снижению ее стоимости являются противоречивыми. Чем больше быстродействие, тем технически труднее достигается и дороже обходится увеличение емкости памяти. Стоимость памяти составляет значительную часть общей стоимости ЭВМ.

Как и большинство устройств КС, память имеет иерархическую структуру. Обобщённая модель такой структуры, отражающая многообразие ЗУ и их взаимодействие, представлена на рисунке. Все запоминающие устройства обладают различным быстродействием и емкостью. Чем выше уровень иерархии, тем выше быстродействие соответствующей памяти, но меньше её емкость.

 

Рис.. Иерархическая структура памяти

Организация ввода-вывода данных в КС

Эффективность использования вычислительных возможностей ЭВМ определяется не только возможностями ее процессора и характеристиками основной памяти, но также составом ее периферийных устройств, их техническими характеристиками и способами организации их совместной работы с ядром (процессор и основная память) компьютера.

При разработке подсистемы ввода/вывода должны быть решены следующие проблемы.

Должна быть обеспечена возможность реализации машины с переменной конфигурацией (то есть с переменным составом оборудования).

Должна реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода/вывода.

Стандартизировано программирование операций ввода/вывода, обеспечена независимость программирования ввода/вывода от особенностей того или иного периферийного устройства.

Должны быть обеспечены автоматическое распознавание различных ситуаций, возникающих в периферийных устройствах, и реакция ядра КС на эти ситуации (будь то готовность устройства, различные нарушения его работы или отсутствие носителей).

 

Основные пути решения указанных проблем.

Модульность. Средства современной КС проектируются на основе модульного (или агрегатного) принципа. Он заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей (агрегатов), которые могут сравнительно просто в нужных количествах и номенклатуре объединяться, образуя КС.

Унифицированные (не зависящие от типа периферийных устройств) форматы данных, которыми периферийные устройства обмениваются с ядром КС. Преобразование в индивидуальные форматы данных осуществляют контроллеры и адаптеры.

Унифицированный интерфейс, т.е. унифицированный по составу и назначению набор линий и шин, унифицированные схемы подключения, сигналы и алгоритмы (протоколы) управления обменом информацией между ПУ и КС..

Унифицированные (не зависящие от типа ПУ) формат и выбор команд процессора для операций ввода-вывода. Операция ввода-вывода с любым ПУ представляет для процессора просто операцию передачи данных независимо от особенностей принципа действия данного ПУ, типа его носителя и т.п.

В настоящее время сопряжение КС с внешними усройствами, как правило, осуществляется с использованием канальной либо шинной подсистемы ввода-вывода, а также интерфейсов ввода-вывода.

Организация передача данных в КС

Для организации передачи данных в КС используются интерфейсы.

 

Интерфейс – совокупность линий и шин сигналов, электрических схем, а также алгоритмов (протоколов), осуществляющих обмен данными между устройствами КС.

Он унифицирует состав и на­значение линий связи, определяет последовательность сигналов при выполнении операций, временные соотношения и переходные процессы в линиях.

Линии, сгруппированные по функциональному признаку или назначению, называют шинами интерфейса. Совокупность всех линий образует магистраль интерфейса.

Надежность и производительность КС во многом зависят от характеристик интерфейсов.

В настоящее время объединение отдельных подсистем (устройств, модулей) КС в единую систему основывается на многоуровневом принципе с унифицированной передачей данных между всеми уровнями — стандартным интерфейсом.

Под стандартными интерфейсами понимают такие интерфейсы, которые приняты и рекомендованы в качестве обязательных отраслевыми или государственными стандартами, различными международными комиссиями, а также крупными зарубежными фирмами

Интерфейсы КС

Интерфейсы КС характеризуются следующими параметрами:

1) пропускной способностью интерфейса — количеством информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

2) максимальной частотой передачи информационных сигналов;

3) информационной шириной интерфейса — числом бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс;

4) максимально допустимым расстоянием между соединяемыми устройствами;

5) динамическими параметрами интерфейса — временем передачи отдельного слова или блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;

6) общим числом проводов (линий) в интерфейсе.

В настоящее время не существует единой классификации интерфейсов. Можно выделить следующие четыре классификационных признака интерфейсов:

¨ способ соединения компонентов системы (радиальный, магистральный, смешанный);

¨ способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный);

¨ принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);

¨ режим передачи информации (двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).

На рис. представлены радиальный (а) и магистральный (б) интерфейсы, соединяющие центральный модуль (ЦМ) и другие модули системы (М₁,..., М_п).

Радиальный интерфейс позволяет всем модулям (М₁,..., M_n) работать независимо, но имеет максимальное количество шин.

Магистральный интерфейс (общая шина) использует принцип разделения времени для связи между ЦМ и другими модулями. Он прост в реализации, но лимитирует скорость обмена.

Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно определенное количество бит или байт информации по многопроводной линии.

Последовательные интерфейсы служат для последовательной передачи по двухпроводной линии.

В случае синхронного интерфейса моменты выдачи информации передающим устройством и приема ее в другом устройстве должны синхронизироваться, для этого используют специальную линию синхронизации.

При асинхронном интерфейсе передача осуществляется по принципу "запрос-ответ". Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью управляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приемным устройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приемником готовности к приему данных.

Надежность КС

Основные понятия отказоустойчивости КС

 

Одной из основных проблем построения|шикування| КС является задача|задача| обеспечения их продолжительного функционирования.

Важнейшей характеристикой КС является|з'являється,являється| надежность, т.е. работа системы без сбоев в определенных условиях на протяжении определенного времени.

Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей.

Это предполагает использование|вживання| компонентов с|із| высокой степенью|мірою| интеграции, облегченных режимов работы схем, усовершенствование сборки|зборки,збирання| и компоновки аппаратуры.

Понятие надежности включает не только|не лише| аппаратные средства|кошти|, но и программное обеспечение.

Главной целью|ціллю| повышения надежности систем является|з'являється,являється| целостность хранимых в них данных.

Единицей измерения|виміру| надежности является|з'являється,являється| среднее время наработки на отказ (MTBF| - Mean| Time| Between| Failure|), иначе - среднее время безотказной работы.

Отказоустойчивость - способность|здібність| КС продолжать действия, заданные программой, после|потім| возникновения неисправностей.

Отказоустойчивость требует избыточного аппаратного и программного обеспечения.

Направления связанные с предотвращением неисправностей и с отказоустойчивостью - основные в проблеме надежности.

Концепции параллельности и отказоустойчивости вычислительных систем подобны, поскольку в обоих случаях требуются дополнительные функциональные компоненты.

Поэтому на параллельных КС достигается как наиболее высокая производительность, так и высокая надежность.

Имеющиеся ресурсы избыточности в параллельных системах могут использоваться как для повышения производительности, так и для повышения надежности.

Структура многопроцессорных и многомашинных систем приспособлена к автоматической реконфигурации и обеспечивает возможность продолжения работы системы после возникновения неисправностей.

 

Организация памяти в КС

Память – один из блоков КС состоящий из ЗУ и предназначенный для запоминания, хранения и выдачи информации (алгоритма обработки данных и самих данных).

Основными характеристиками отдельных устройств памяти (запоминающих устройств) являются емкость памяти, быстродействие и стоимость хранения единицы информации (бита).

Быстродействие (задержка) памяти определяется временем доступа и длительностью цикла памяти. Время доступа представляет собой промежуток времени между выдачей запроса на чтение и моментом поступления запрошенного слова из памяти. Длительность цикла памяти определяется минимальным временем между двумя последовательными обращениями к памяти.

Требования к увеличению емкости и быстродействия памяти, а также к снижению ее стоимости являются противоречивыми. Чем больше быстродействие, тем технически труднее достигается и дороже обходится увеличение емкости памяти. Стоимость памяти составляет значительную часть общей стоимости ЭВМ.

Как и большинство устройств КС, память имеет иерархическую структуру. Обобщённая модель такой структуры, отражающая многообразие ЗУ и их взаимодействие, представлена на рисунке. Все запоминающие устройства обладают различным быстродействием и емкостью. Чем выше уровень иерархии, тем выше быстродействие соответствующей памяти, но меньше её емкость.

 

Рис.. Иерархическая структура памяти

Особенности структуры памяти КС

Память КС, память имеет иерархическую структуру.

К самому высокому уровню - сверхоперативному - относятся регистры управляющих и операционных блоков процессора, сверхоперативная память, управляющая память, буферная память (кэш-память).

На втором оперативном уровне, более низком, находится оперативная память (ОП), служащая для хранения активных программ и данных, то есть тех программ и данных, с которыми работает ЭВМ.

На следующем более низком внешнем уровне размещается внешняя память.

Местная память или регистровая память процессора. Входит в состав ЦП (регистры управляющих и операционных блоков процессора) и предназначена для временного хранения информации. Она имеет малую ёмкость и наибольшее быстродействие. Построена на базе регистров общего назначения. РОН конструктивно совмещены с процессором ЭВМ. Этот тип ЗУ используется для хранения управляющих и служебных кодов, а также информации, к которой наиболее часто обращается процессор при выполнении программы.

Сверхоперативная память. Иногда в архитектуре ЭВМ регистровая память организуется в виде сверхоперативного ЗУ с прямой адресацией. Такая память имеет то же назначение как и РОН, служит для хранения операндов, данных и служебной информации, необходимой процессору.

Управляющая память предназначена для хранения управляющих микропрограмм процессора (см. раздел Устройство управления микропрограммного типа). Выполнена в виде постоянного ЗУ (ПЗУ) или программируемого постоянного ЗУ (ППЗУ). В системах с микропрограммным способом обработки информации УП применяется для хранения однажды записанных микропрограмм, управляющих программ, констант и т.п.

Буферная память. В функциональном отношении кэш-память рассматривается как буферное ЗУ, размещённое между основной (оперативной) памятью и процессором. Основное назначение кэш-памяти - кратковременное хранение и выдача активной информации процессору, что сокращает число обращений к основной памяти, скорость работы которой меньше, чем кэш-памяти. Кэш – память от английского cashe – тайник. Она не является программно доступной. Поэтому она оказывает влияние на производительность ЭВМ, но не влияет на программирование прикладных задач. В современных ЭВМ различают кэш первого и второго уровней. Кэш первого уровня интегрирована с блоком предварительной выборки команд и данных ЦП и служит, как правило, для хранения наиболее часто используемых команд. Кэш второго уровня служит буфером между ОП и процессором. В некоторых ЭВМ существует кэш память отдельно для команд и отдельно для данных.

ОП (ОЗУ) служит для хранения информации, непосредственно участвующей в вычислительном процессе (происходящем в операционном устройстве - АЛУ). Из ОЗУ в процессор поступают коды и операнды, над которыми производятся предусмотренные программой операции, из процессора в ОЗУ направляются для хранения промежуточные и конечные результаты обработки информации. ОЗУ имеет сравнительно большую ёмкость и высокое быстродействие, однако меньшее, чем ЗУ сверхоперативного уровня.

Внешняя память (ВнП) используется для хранения больших массивов информации в течении продолжительного времени. Обычно ВнП не имеет непосредственной связи с процессором. Обмен информацией носит групповой характер, что значительно сокращает время обмена. ВнП обладает сравнительно низким быстродействием (поиск информации). В качестве носителя используются магнитные диски (гибкие и жёсткие), лазерные диски(CD-room) и др.

Сравнительно небольшая емкость оперативной памяти (8 - 64 Мбайта) компенсируется практически неограниченной емкостью внешних запоминающих устройств. Однако эти устройства сравнительно медленные - время обращения за данными для магнитных дисков составляет десятки микросекунд. Для сравнения: цикл обращения к оперативной памяти (ОП) составляет 50 нс. Исходя из этого, вычислительный процесс должен протекать с возможно меньшим числом обращений к внешней памяти.

Рост производительности ЭВМ проявляется в первую очередь в увеличении скорости работы процессора. Быстродействие ОП также растет, но все время отстает от быстродействия аппаратных средств процессора потому, что одновременно происходит опережающий рост ее емкости, что делает более трудным уменьшение времени цикла работы памяти. Вследствие этого быстродействие ОП оказывается недостаточным для обеспечения требуемой производительности ЭВМ. Проявляется это в несоответствии пропускных способностей процессора и памяти. Для выравнивания их пропускных способностей и предназначена сверхоперативная буферная память небольшой емкости (как правило, не более 512 Кбайт) и повышенного быстродействия.

При обращении к блоку данных, находящемуся на оперативном уровне, его копия пересылается в сверхоперативную буферную память. Последующие обращения к этому блоку данных производится к буферной памяти. Поскольку время выборки из СОЗУ tСОЗУ много меньше времени выборки из оперативной памяти tОП, введение в структуру ЭВМ СОЗУ приводит к уменьшению эквивалентного времени обращения tэ по сравнению с временем обращения к оперативной памяти tОП:

tЭ = tСОЗУ + αtОП,

где α = 1- q,

а q – вероятность попадания, т. е. вероятность того, что блок данных, к которому производится обращение, находится в СОЗУ.