Шпаргалка по "Программированию"

Билет №6

1. Организация и принцип работы памяти.

  Память - совокупность отдельных устройств, которые запоминают, хранят, выдают информацию. Отдельные устройства памяти называют запоминающими устройствами. Производительность вычислительных систем в значительной мере определяется составом и характеристиками отдельных запоминающих устройств, которые различают по принципу действия, техническим характеристикам, назначениям. Основные операции с памятью - процедура записи, процедура чтения (выборки). Процедуры записи и чтения также называют обращением к памяти. За одно обращение к памяти "обрабатывается" для различных устройств различные единицы данных (байт, слово, двойное слово, блок).

  Основные  технические характеристики памяти

Одними  из основных характеристик памяти является емкость и быстродействие (время обращения к запоминающему устройству).

Время обращения к устройству зависит  от типа памяти.

  В некоторых запоминающих устройствах  считывание данных сопровождается их разрушением. В этом случае цикл обращения  к памяти всегда должен содержать регенерацию данных (ЗУ динамического типа). Этот цикл состоит из трех шагов:

-время от начала операции обращения до того момента, как данные станут доступны (время доступа);

-считывание;

-регенерация.

  Основные  технические характеристики процедуры записи:

-время доступа;

-время подготовки (приведение в исходное состояние поверхности магнитного диска при записи);

-запись.

Максимальная  длительность чтения-записи - называется временем обращения к памяти.

  По  физическим основам все запоминающие устройства разделяются: полупроводниковые, магнитно-оптические и т.д.

  Организация полупроводниковой  памяти

С точки  зрения функционального построения, любое запоминающее устройство такого типа представляет собой некоторый  массив элементов памяти. Структурные элементы памяти образуют ячейки памяти. Ширина ячеек - ширина выборки из памяти. Структура модуля памяти определяется способом организации памяти (способ адресации).

  Существует 3 разновидности организации  памяти:

-адресная память

-память со стековой организацией

-ассоциативная память

  Принципы  организации основной памяти в современных  ЭВМ

Основная  память представляет собой уровень  иерархии памяти. Основная память удовлетворяет  запросы кэш-памяти и служит в  качестве интерфейса ввода/вывода, поскольку является местом назначения для ввода и источником для вывода. Для оценки производительности основной памяти используются два основных параметра: задержка и полоса пропускания.

  Задержка  памяти традиционно оценивается  двумя параметрами: временем доступа (access time) и длительностью цикла памяти (cycle time). 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.

  Основными методами увеличения полосы пропускания  памяти являются:

-увеличение  разрядности или "ширины" памяти,

-использование  расслоения памяти,

-использование  независимых банков памяти,

-обеспечение  режима бесконфликтного обращения  к банкам памяти,

-использование  специальных режимов работы динамических  микросхем памяти.

  Random Access Memory - запоминающие устройства с произвольной выборкой

В адресной памяти, размещение и поиск информации в массиве запоминания, базируется на основе номера (адреса). Массив запоминания элементов содержит N n-разрядных слов, которые пронумерованы (0...N-1). Электронное обрамление включает в себя регистры для хранения адреса памяти, регистр информации (само слово), схемы адресной выборки (адресации), разрядные усилители для чтения и записи.

  Цикл  обращения таких устройств не зависит от того, в каком физическом месте ЗУ находятся требуемые  данные. Такой способ доступа характерен для полупроводниковых ЗУ. Число  записанных одновременно битов данных за одно обращение называют шириной выборки (доступа).

  Статическая память

Память  на основе микросхем, которые могут  сохранять свое состояние лишь тех  пор, пока к ним подключено питание, называется статической (Static RAM, SRAM). Может быть реализована на триггерах. Микросхемы статических SRAM имеют малое время доступа и не требуют циклов регенерации.

  Статическая RAM работает быстро, но стоит очень  дорого, поскольку каждая ее ячейка содержит несколько транзисторов. Вот  почему выпускается еще и более дешевая память с более простой конструкцией ячеек. Однако эти ячейки не способны бесконечно долго сохранять свое состояние, поэтому такая память называется динамической (Dynamic RAM, DRAM).

  Динамическая  память

В ячейке динамической памяти информация хранится в форме заряда на конденсаторе, и этот заряд может сохраняться всего несколько десятков миллисекунд. Поскольку ячейка памяти должна хранить информацию гораздо дольше, ее содержимое должно периодически обновляться путем восстановления заряда на конденсаторе.

  Ячейка  динамической памяти, состоим из конденсатора С и транзистора Т. Для записи информации в эту ячейку включается транзистор Т и на линию бита подается соответствующее напряжение. В результате на конденсаторе образуется определенный заряд.

  Емкость DRAM по грубым оценкам в 4 - 8 раз превышает  емкость SRAM, но SRAM имеют в 8 - 16 раз  меньшую длительность цикла и  большую стоимость. По этим причинам в основной памяти практически любого компьютера используется полупроводниковые микросхемы DRAM (для построения кэш-памяти при этом применяются SRAM).

  Стековая  память

Стековая  память является безадресной. Все ячейки памяти организованы по принципу "первым вошел - последним вышел" (LIFO). Реализовано  это таким образом, что для  операций с памятью доступна только 0-я ячейка.

  Ассоциативная память.

Исторически последняя. Является представителем многофункциональных  запоминающих устройств (возможна обработка  данных без процессора в памяти). Отличительная особенность - поиск  любой информации в ЗМ производится не по адресу, а по ассоциативным признакам (признакам опроса).

  Иерархия  памяти

В основе реализации иерархии памяти современных  компьютеров лежат два принципа: принцип локальности обращений  и соотношение стоимость/производительность. 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.

  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.

  Принципы  размещения блоков в кэш-памяти определяют три основных типа их организации:

Если  каждый блок основной памяти имеет  только одно фиксированное место, на котором он может появиться в  кэш-памяти, то такая кэш-память называется кэшем с прямым отображением (direct mapped). Это наиболее простая организация кэш-памяти, при которой для отображение адресов блоков основной памяти на адреса кэш-памяти просто используются младшие разряды адреса блока.

Если  некоторый блок основной памяти может  располагаться на любом месте  кэш-памяти, то кэш называется полностью ассоциативным (fully associative).

  Если  некоторый блок основной памяти может  располагаться на ограниченном множестве  мест в кэш-памяти, то кэш называется множественно-ассоциативным (set associative). Обычно множество представляет собой группу из двух или большего числа блоков в кэше.

  Если  множество состоит из n блоков, то такое размещение называется множественно-ассоциативным  с n каналами (n-way set associative).

  Виртуальная память и организация  защиты памяти

Она делит физическую память на блоки и распределяет их между различными задачами.

Она автоматически управляет двумя  уровнями иерархии памяти: основной памятью и внешней (дисковой) памятью.

  Системы виртуальной памяти можно разделить  на два класса: системы с фиксированным размером блоков, называемых страницами, и системы с переменным размером блоков, называемых сегментами.

  Страничная  организация памяти

В системах со страничной организацией основная и внешняя память (главным образом  дисковое пространство) делятся на блоки или страницы фиксированной длины. Каждому пользователю предоставляется некоторая часть адресного пространства, которая может превышать основную память компьютера, и которая ограничена только возможностями адресации, заложенными в системе команд. Эта часть адресного пространства называется виртуальной памятью пользователя. Каждое слово в виртуальной памяти пользователя определяется виртуальным адресом, состоящим из двух частей: старшие разряды адреса рассматриваются как номер страницы, а младшие - как номер слова (или байта) внутри страницы.

  Сегментация памяти

Другой  подход к организации памяти опирается  на тот факт, что программы обычно разделяются на отдельные области-сегменты. Каждый сегмент представляет собой  отдельную логическую единицу информации, содержащую совокупность данных или программ и расположенную в адресном пространстве пользователя. Сегменты создаются пользователями, которые могут обращаться к ним по символическому имени. В каждом сегменте устанавливается своя собственная нумерация слов, начиная с нуля.  

2. Типовые средства аппаратной поддержки операционных систем, BIOS.

Средства  аппаратной поддержки  ОС – это средства, которые прямо участвуют в организации вычислительных процессов ОС: средства поддержки привилегированного режима, систему прерываний, средства переключения контекстов процессов, средства защиты областей памяти и т. п.

Входят следующие компоненты:

-средства поддержки привилегированного режима;

-средства трансляции адресов;

-средства переключения процессов;

-система прерываний;

-системный таймер;

-средства защиты областей памяти.

Средства  поддержки привилегированного режима обычно основаны на системном регистре процессора, часто называемом «словом  состояния» машины или процессора. Этот регистр содержит некоторые  признаки, определяющие режимы работы процессора, в том числе и признак текущего режима привилегий. Смена режима привилегий выполняется за счет изменения слова состояния машины в результате прерывания или выполнения привилегированной команды.

Средства  трансляции адресов выполняют операции преобразования виртуальных адресов, которые содержатся в кодах процесса, в адреса физической памяти. Таблицы, предназначенные при трансляции адресов, обычно имеют большой объем, поэтому для их хранения используются области оперативной памяти, а аппаратура процессора содержит только указатели на эти области. Средства трансляции адресов используют данные указатели для доступа к элементам таблиц и аппаратного выполнения алгоритма преобразования адреса, что значительно ускоряет процедуру трансляции по сравнению с ее чисто программной реализацией.

Средства  переключения процессов предназначены  для быстрого сохранения контекста  приостанавливаемого процесса и  восстановления контекста процесса, который становится активным. Для  хранения контекстов приостановленных процессов обычно используются области оперативной памяти, которые поддерживаются указателями процессора.