🗊Презентация Память. Основная память

Память Память

Основная память Память — это тот компонент компьютера, в котором хранятся программы и дан­ные. Также часто встречается термин «запоминающее устройство». Без памяти, откуда процессоры считывают и куда записывают информацию, не было бы со­временных цифровых компьютеров.

Память Основной единицей хранения данных в памяти является двоичный разряд, ко­торый называется битом (может содержать 0 или 1). Двоично-десятичный код (например мэйнфреймы IBM). Число 1944 в двоично-десятичной и в чисто дво­ичной системах счисления (в обоих случаях используется 16 бит): + двоично-десятичное представление – 0001 1001 0100 0100; + двоичное представление – 0000 0111 1001 1000. В двоично-десятичном представлении 16 бит достаточно для хранения числа от 0 до 9999, то есть доступно всего 10 000 различных комбинаций, В двоичном представлении те же 16 бит позволяют получить 65 536 комбинаций.

Адреса памяти

Адреса памяти

Ячейка — минимальная адресуемая единица памяти. Ячейка — минимальная адресуемая единица памяти. В последние годы прак­тически все производители выпускают компьютеры с 8-разрядными ячейками, которые называются байтами (также иногда встречается термин «октет»). Байты группируются в слова. В компьютере с 32-разрядными словами на каждое слово приходится 4 байт, а в компьютере с 64-разрядными словами – 8 байт. 32-разрядная машина содержит 32-разрядные регистры и команды для манипуляций с 32-разрядными словами, тогда как 64-разрядная машина имеет 64-разрядные регистры и команды для перемещения, сложения, вычитания и других операций над 64-разрядными словами.

Упорядочение байтов Байты в слове могут нумероваться слева направо или справа налево.

Отсутствие стандарта упорядочивания байтов является серьезной про­блемой при обмене информацией между разными машинами. Отсутствие стандарта упорядочивания байтов является серьезной про­блемой при обмене информацией между разными машинами.

Код исправления ошибок В памяти компьютера из-за всплесков напряжения и по другим причинам время от времени могут возникать ошибки. Для борьбы с ними используются специ­альные коды, умеющие обнаруживать и исправлять ошибки. В этом случае к каждому слову в памяти особым образом добавляются дополнительные биты. Когда слово считывается из памяти, эти дополнительные биты проверяются, что и позволяет обнаруживать ошибки

Код исправления ошибок Предположим, что слово состоит из т бит данных, к которым мы дополнительно прибавляем r бит (контрольных разрядов). Пусть общая длина слова составит п бит (то есть п = т + r). Единицу из п бит, содержащую т бит данных и r контрольных разрядов, называют кодовым словом

Метод Ричарда Хэмминга Закодируем в качестве примера слово из 4 бит 1100 в секторы АВ, ABC, АС и ВС, по одному биту в каждом секторе (в алфавитном порядке) используя диаграмму Венна

Добавим бит четности к каждому из трех пустых секторов, чтобы сумма битов в каждом из трех кругов, А, В, и С, получилась четной Добавим бит четности к каждому из трех пустых секторов, чтобы сумма битов в каждом из трех кругов, А, В, и С, получилась четной Предположим, что бит в секторе АС изменился с 0 на 1 Компьютер обнаруживает, что круги А и С являются нечетными. Единственный способ исправить ошибку, изменив только один бит, — возвраще­ние значения 0 биту в секторе АС. Таким способом компьютер может исправлять одиночные ошибки автоматически.

Метод Ричарда Хэмминга Алгоритм Хэмминга при соз­дании кодов исправления ошибок для слов любого размера: В коде Хэмминга к слову, состоящему из т бит, добавляются r бит четности, при этом образуется слово длиной т + r бит. Все биты, номера которых — степени двойки, являются битами четности, остальные используются для данных. Например, к 16-разрядному слову нужно добавить 5 бит четности. Биты с номерами 1, 2, 4, 8 и 16 — биты четности, все остальные — биты данных. Всего слово содержит 21 бит (16 бит данных и 5 бит четности).

Метод Ричарда Хэмминга Ниже указаны позиции проверки для каждого бита четности: Код Хэмминга для 16-разрядного слова 1111000010101110 (до вычисления самих контрольных бит, мы присвоили им значение «0». ) Каждый бит четности позволяет проверять определенные битовые позиции. Общее число битов со значением 1 в проверяемых позициях должно быть чет­ным. В общем случае бит b проверяется битами b1 b2,…, bj, такими что b1 + b2 + ... + bj = b. Например, бит 5 проверяется битами 1 и 4, поскольку 1+4 = 5. Бит 6 проверяется битами 2 и 4, поскольку 2 + 4 = 6 и т. д.

Метод Ричарда Хэмминга Вычисляем значение каждого контрольного бит: общее число битов со значением 1 в проверяемых позициях должно быть чет­ным. Пусть бит 5 изменит значение: 001011100000101101110 => 001001100000101101110 Заново вычисляем все контрольные биты: 101101100000101101110 Cложив номера позиций неправильных контрольных бит (1 + 4= 5) получаем позицию ошибочного бита

Кэш-память Процессоры всегда работали быстрее, чем память: Разработчи­ки процессоров помещают все больше и больше транзисторов на микросхемы, создают конвейерные и суперскалярные архитектуры. Разработчики памяти обычно используют новые технологии для увеличения емкости, а не быстродействия, что делает разрыв еще большим. На практике такое несоответствие в скорости работы приводит к тому, что когда процессор обращается к памяти, проходит несколько машинных циклов, прежде чем он получит запрошенное слово. Чем медленнее работает память, тем дольше процессору приходится ждать, тем боль­ше циклов проходит.

Кэш-память Пути решения проблемы: Cчитывать информацию из памяти и при этом продолжать выпол­нение команд, но если какая-либо команда попытается использовать слово до того, как оно считано из памяти, процессор должен приостановить работу => простой процессора. Сконструировать машину, которая не приостанав­ливает работу, но следит, чтобы программы-компиляторы не использовали слова до того, как они считаны из памяти => задержка на уровне программного обеспечения. Создать память которая работает так же быстро, как процессор. Память можно разместить прямо на микросхему процессора => сильно увеличивает размер процессора, а следовательно и стоимость.

Кэш-память Память небольшого объема с высокой скоростью работы называется кэш-памятью Основная идея кэш-памяти: в ней находятся слова, которые чаще всего используются. Если процессору нужно какое-нибудь слово, сначала он обращается к кэш-памяти. Только в том случае, если слова там нет, он обраща­ется к основной памяти.

Принцип локальности Когда определенное слово вызывается из памяти, оно вместе с соседними словами переносится в кэш-память, что позво­ляет при очередном запросе быстро обращаться к следующим словам.

с – время досту­па к кэш-памяти, с – время досту­па к кэш-памяти, т – время доступа к основной памяти h – коэффициент кэш-попаданий (hit ratio), который показывает соотношение числа обращений к кэш памяти и общего числа всех обращений к памяти (в нашем примере h = (k - 1)/k). Выделяют коэффициент кэш-промахов (miss ratio), равный 1 - h. Таким образом, мы можем вычислить среднее время доступа: Среднее время доступа = с + (1 - h) т. h ->1 h ->0

Основная память и кэш-память делятся на блоки фиксированного размера с учетом принципа локальности. Основная память и кэш-память делятся на блоки фиксированного размера с учетом принципа локальности. Блоки внутри кэш-памяти обычно называют строками кэша (cache lines). При кэш-промахе из основной памяти в кэш-память загружается вся строка, а не только необходимое слово. Например, если строка состоит из 64 байт, обращение к адресу 260 влечет за собой загрузку в кэш-­память всей строки (байты с 256 по 319) на случай, если через некоторое время понадобятся другие слова из этой строки. Такой путь обращения к памяти более эффективен, чем вызов каждого слова по отдельности, потому что однократ­ный вызов k слов происходит гораздо быстрее, чем вызов одного слова k раз. Многие компьютеры (даже 32-разрядные) способны передавать 64 и 128 бит параллельно за один цикл шины.

Объем кэш-памяти? Объем кэш-памяти? Чем боль­ше объем, тем лучше работает память, но тем дороже она стоит. Размер строки кэша? Кэш-память объемом 16 Кбайт можно разделить на 1024 строки по 16 байт, 2048 строк по 8 байт и т. д. Механизм организации кэш-памяти, то есть то, как она определяет, какие именно слова находятся в ней в данный момент? Должны ли команды и данные находиться вместе в об­щей кэш-памяти? Количество блоков кэш-памяти? В настоящее вре­мя очень часто кэш-память первого уровня располагается прямо на микросхеме процессора, кэш-память второго уровня – не на самой микросхеме, но в корпусе процессора, а кэш-память третьего уровня – еще дальше от процессора.

Объединенная кэш-память (unified cache), в которой храниться и данные, и команды. В этом случае вызов команд и данных автоматически уравновешивается. Разделенная кэш-память (split cache), когда команды хранятся в одной кэш-памяти, а данные — в другой. Такая архи­тектура называется гарвардской (Harvard architecture) Разделенная кэш-память больше подходит к широко используемым в настоящее время конвейерным архитектурам, т.к. при конвейерной организации обращения и к командам, и к данным (операндам) должны осуществляться одновременно. позволяет осу­ществлять параллельный доступ, а общая память – нет. поскольку команды обычно не меняются во время выполнения программы, содержание кэша команд не приходится записывать обратно в основную память.

Оперативная память Оперативную память часто называют оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или памятью с произвольным до­ступом (Random Access Memory (RAM)) Энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором. «Энергозависимая» - оперативная память компьютера обнуляется при выключении питания Передача данных в оперативную память процессором производится непосредственно, либо через сверхбыструю память (кэш) Два типа ОЗУ: статическое и динамическое

Кэш-память Кэш-память -построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов -группа транзисторов входящая в триггер занимает гораздо больше места, чем конденсаторы, соответственно объемы такой памяти ограничены Статическое ОЗУ (SRAM): основано на триггерах информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени, пока к нему подается питание: секунды, минуты, часы и даже дни; работает очень быстро (обычно время доступа составляет несколько наносекунд, часто используется в качестве кэш-памяти второго уровня)

Динамическое ОЗУ имеет очень высокую плотность записи (много битов на одну микросхему) => основная память почти всегда строится на основе динамических ОЗУ работает очень медленно (время доступа занимает десятки наносекунд) Сочетание кэш-­памяти на основе статического ОЗУ и основной памяти на основе динамического ОЗУ соединяет в себе преимущества обоих устройств

Сборка модулей памяти и их типы SIMM (Single Inline Memory Module) - модуль памяти с односторонним расположением выводов)

Сборка модулей памяти и их типы 4-гигабайтный модуль DIMM с восемью 256-мегабайтными микросхемами с каждой стороны. Другая сторона выглядит аналогично

ПЗУ Дополнительно к оперативной памяти многие компьютеры оснащены небольшой по объему неизменяемой памятью с произвольным доступом — постоянным запоминаю­щим устройством (ПЗУ), оно же память, предназначенная только для чтения (Read Only Memory (ROM)). ПЗУ не утрачивает своего содержимого при отключении питания, то есть является энергонезависимой. ПЗУ программируется на предприятии-изготовителе и впоследствии не подлежит изменению.

Другие разновидности энергонезависимой памяти Запись в них занимает на не­сколько порядков больше времени, чем запись в ОЗУ, поэтому они используются для тех же целей, что и ПЗУ.

Вспомогательная память Иерархическая структура памяти По мере продвижения сверху вниз по иерархии меняются три параметра: увеличивается время доступа растет объем памяти увеличивается количество битов, которое вы получаете за один доллар.

Магнитные (жесткие) диски Жесткий диск на два порядка дешевле, чем ОЗУ, а его емкость зачастую на два порядка выше, но время произвольного доступа к данным примерно на три порядка медленнее. Является механическим устройством. Состоит из одной или нескольких металлических пластин, вращающихся со скоростью 5400, 7200, 10 800 и более оборотов в минуту. Механический привод по­ворачивается на определенный угол над пластинами, подобно звукоснимателю старого проигрывателя виниловых пластинок на 33 оборота в минуту.

Информация записыва­ется на диск в виде последовательности концентрических окружностей. Информация записыва­ется на диск в виде последовательности концентрических окружностей. В каждой за­данной позиции привода каждая из головок может считывать кольцеобразный участок, называемый дорожкой. Из совокупности всех дорожек в заданной позиции привода составляется цилиндр. Каждая дорожка поделена на определенное количество секторов, обычно по 512 байт на сектор. На современных дисках внешние цилиндры содержат больше секторов, чем внутренние. Перемещение привода с одного цилиндра на другой занимает около 1 мс. Перемещение к произвольно выбранному цилиндру обычно занимает от 5 до 10 мс в зависимости от конкретного накопителя. Когда привод расположен над нужной дорожкой, накопитель должен выждать, когда нужный сектор попадет под головку. Это приводит к возникновению еще одной задержки от 5 до 10 мс в зависимости от скорости вращения диска. После попадания требуемого сектора под головку произво­дится операция чтения или записи со скоростью от 50 Мбайт/с (для низкоскоростных дисков) до 160 Мбайт/с (для высокоскоростных).

Магнитные (жесткие) диски

Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. Перед данными рас­полагается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться перед чтением или записью. После данных идет код исправления ошибок (Error-Correcting Code, ЕСС), в качестве которого используется код Хэмминга или чаще код Рида-Соломона, позволяющий исправлять множественные ошибки, а не только одиночные. Между соседними секторами находится межсекторный интервал. Многие производители указывают размер неформатированного дис­ка (как будто каждая дорожка содержит только данные), хотя честнее было бы указывать вместимость форматированного диска, на котором не учитываются преамбулы, ЕСС-коды и межсекторные интервалы. Емкость форматированного диска обычно на 15 % меньше неформатированного.

Винчестеры Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воздуха, диски герметично закрываются. Такие диски называются винчестерами («жесткими дисками»).

Совокупность до­рожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром. Совокупность до­рожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром. В современных моделях дисков для ПК устанавливается от 1 до 12 пластин, содержащих от 12 до 24 рабочих поверхностей. На одной пластине современных высокопроизводительных дисков может храниться до 1 Тбайт данных. Чтобы считать или записать сектор, головка должна переместиться на нужное расстояние от оси. Этот процесс называется позиционированием. Когда головка помещается на нужное расстояние от центра, выжидается некоторое время (оно называется временем ожидания сектора), пока нужный сектор не окажется под головкой. Время передачи информации определяется в основном временем поиска и временем ожидания сектора.

Контроллер - микросхема, которая управляет диском Контроллер - микросхема, которая управляет диском Задачи контроллера: получение от программного обеспечения таких команд, как read, write и format (то есть запись всех преамбул); управление перемещением кронштейна; обнаружение и исправление ошибок; преобразование байтов, считы­ваемых из памяти, в непрерывный поток битов, и наоборот. Некоторые контрол­леры производят буферизацию и кэширование нескольких секторов на случай их дальнейшего использования, а также пропускают поврежденные секторы.

IDE-диски (стандарт проектирования дисков) Диск Seagate на 10 Мбайт, управляемый контроллером Xebec на встроенной карте. 80-х годах устройства IDE (Integrated Drive Electronics — устройство со встроен­ным контроллером) контроллер стал встраиваться в материнскую плату, объем 504 Мбайт. Стандарт EIDE (Extended IDE - усовершенствованные устройства со встроенным контроллером), поддер­живающие дополнительную схему адресации LBA (Logical Block Addressing линейная адресация блоков). Стандарт интерфейса диска АТА-3 Стандарт ATAPI-4 (ATA Packet Interface - пакетный интерфейс АТА), отличался скоростью 33 Мбит/с Стандарт ATAPI-7, появилась специ­фикация последовательного интерфейса ATA (Serial ATA, SATA), позволившего передавать через 7-контактный разъем информацию на скоростях от 150 Мбит/с

SCSI-диски SCSI-диски с точки зрения расположения цилиндров, дорожек и секторов не отличаются от IDE-дисков, но они имеют другой интерфейс и более высо­кую скорость передачи данных. SCSI (Small Computer System Interface - интерфейс малых вычислительных систем).

RAID-массивы Redundant Array of Inexpensive Disks (избыточный массив недорогих дисков) Рядом с компьютером (обычно большим сервером) устанавливается бокс с дисками, контроллер диска замеща­ется RAID-контроллером, данные копируются в RAID-массив, а затем произво­дятся обычные действия.

Достоинства RAID-систем: Достоинства RAID-систем: программное обеспечение воспринимает RAID-массив как один большой диск; данные на всех дисках RAID-массива распределены по дискам таким образом, чтобы можно было осуществлять параллельные операции. Существуют 6 разных вариантов организации дисков с разными характеристиками надежности и производитель­ности, называемых «уровнями»

RAID-массив уровня 0 Представляет собой вир­туальный диск, разделенный на полосы (strips) по k секторов каждая, при этом секторы с 0 no k -1 занимают полосу 0, секторы с k по 2k - 1 — полосу 1 и т. д. Для k = 1 каждая полоса — это сектор, для k = 2 каждая полоса — это два сектора и т. д.

RAID-массив уровня 1 В этой структуре дублируют все диски, т.о, получается 4 исходных диска и 4 резервные копии.

RAID-массив уровня 2 RAID-массив уровня 2 оперирует словами, а иногда даже байтами Все диски должны быть синхронизированы по позиции кронштейна и позиции вращения. 1 байт разбивается на два фрагмента по 4 бита, затем к каждому из них добавляется код Хэмминга => слово из 7 бит, где 1, 2 и 4 – биты четности. Т.о за одну операцию можно записать слово из 7 бит с кодом Хэмминга на 7 дисков по 1 биту на диск.

RAID-массив уровня 3 Для каждого слова данных вычисля­ется один бит четности и записывается на диск четности. Как и в RAID-массиве уровня 2, диски должны быть точно синхронизированы, поскольку каждое слово данных распределено по нескольким дискам. Один бит четности позволяет только обнаружить ошибки, но не исправлять их.

RAID-массивы уровней 4 и 5 RAID-массивы уровней 4 и 5, как и RAID-массивы начальных уровней, ра­ботают с полосами, а не со словами, имеющими биты четности, и не требуют синхронизации дисков. RAID-массива уровня 4 есть дополнительный диск, на который записываются полосы четности. Например, пусть каждая полоса состоит из k байт. Все полосы объединяются операцией исключающего ИЛИ, и полоса четности для проверки этого отношения также состоит из k байт. Если происходит сбой на диске, утраченные байты могут быть вычислены заново при помощи информации с диска четности.

Твердотельные накопители Устройства на базе энергонезависимой флэш-памяти, часто называемые твер­дотельными накопителями или SSD-дисками (Solid State Disk), постепенно начинают рассматриваться как высокоскоростная альтернатива традиционным технологиям магнитных дисков. Фудзио Масуока (Fujio Masuoka), начале 1980-х годов изобрел первую флэш-память У SSD-дисков нет движущихся частей, дисковых пластин, а данные хранятся во флеш-памяти. Они напоминают диски только тем, что содержат большой объем данных, который при отключении питания не теряется.

Ячейка флэш-памяти

SSD диски Плюсы обладают более высокой производительностью по сравнению с вращающимися магнитными дисками (скорость в два-три раза выше) не имеет подвижных частей, оно особенно хорошо под­ходит для ноутбуков Цена несколько центов за гигабайт

Диски Диски CD-ROM – оптические диски, которые изначально использовались для записи телевизион­ных программ, позже стали одними из основных средств хранения информации в компьютерной индустрии. Диски CD-R (CD-Recordable – записываемый компакт-диск). Диски CD-RW (CD-ReWritable – перезаписы­ваемый компакт-диск) DVD-диски, раньше расшифровывалась как Digital Video Disk (цифровой видеодиск), сейчас абривиатура официально превратилась в Digital Versatile Disk (цифровой многоцелевой диск) Диски Blu-Ray, предусматривающую технологию применения синего лазера вместо красного