Курс. Курс лекций по ар-реКомп. Курс лекций по дисциплине Архитектура компьютеров для студентов, обучающихся по направлению 230700. 62 Прикладная информатика
 Скачать 1.69 Mb.
|
|
Лекция 5. Организация памяти в вычислительных системах. Вопросы: 1.Уровни хранения информации 2. Организация ОЗУ (RAM) компьютера 3. Динамическое ОЗУ(RAM) DRAM 4. Статическое ОЗУ(RAM) SRAM 5. Компоновка модулей RAM 6. Скоростной показатель работы микросхем памяти HDD обеспечивают долговременное хранение данных, что позволяет сохранять информацию между сеансами работы на компьютерах или в течение многих лет. Информация записывается путём намагничивания поверхности дисков, поэтому дисковые накопители являются энергонезависимыми (nonvolative) устройствами хранения информации. Это означает, что для сохранения содержимого необязательно постоянно подавать питание дисковому накопителю. ОЗУ (RAM – random access memory) – память произвольного доступа энергозависимая (volative). Это означает, что при отключении питания её содержимое утрачивается. Пользователи часто разделяют технологии устройств хранения информации с учётом быстродействия и ёмкости. Поэтому, так как дисковые накопители являются, механическими устройствами, они работают намного медленнее по сравнению с электронной памятью.  С целью достижения максимальной производительности в компьютерах используются устройства всех видов. Организация ОЗУ (RAM) компьютера В ОЗУ хранятся команды, выполняемые CPU(APU), а также данные программ. Обычно RAM описывается в виде рядов ячеек, хранения данных. Программисты часто представляют RAM как разряды(биты), группируемые в слова, соответствующие разрядности шины данных. CPU(APU), взаимодействующие с 32-разрядной шиной данных используются 32-разрядные слова, а для 64-разрядной шины данных используются 64-разрядные слова. Но в фоновом режиме программисты могут осуществлять доступ к отдельным байтам RAM с индивидуальной адресацией. Следовательно, область хранения каждого байта можно считать ячейкой с уникальным адресом. Чтобы извлечь информацию из определённой ячейки или сохранить данные в память CPU(APU), должен указываться адрес ячейки. Количество разрядов в шине адреса определяет количество адресов памяти. Например, 32-разрядная шина адреса определяет память размером 232 байтов или приблизительно 4ГБ. Поэтому 64-разрядная шина адреса позволяет адресовать 264 или приблизительно 18,5∙1018 ячеек памяти. Динамическое ОЗУ(RAM) DRAM Во многих компьютерах используется микросхема DRAM (Dynamic random access memory), благодаря их быстродействию, большой ёмкости и низкой стоимости. Для хранения одного бита информации в DRAM используется транзистор и конденсатор. Текущее значение бита определяется зарядом конденсатора. Проблема в том, что они сохраняют заряд в течение определённого времени. После чего, заряд требуется обновить. Чтобы обновить заряд конденсатора, контроллер памяти читает его значение, что приводит к разряду конденсатора (потеря значения). Затем контроллер должен восстановить значение заряда конденсатора. Обычно контроллер обновляет значение битов с частотой 66 MHz. Когда процессор запрашивает значение ячейки памяти DRAM, контроллер должен разрядить конденсатор, чтобы определить хранимое значение. Если оно составляет 1 (конденсатор был заряжен), контроллер должен восстановить его. Поскольку в результате считывания конденсатор разряжается, этот процесс называется разрушающим чтением. Из-за необходимости постоянно обновлять содержимое микросхемы DRAM, они функционируют медленно, по сравнению с устройствами памяти, построенными на базе других технологий. Но так как им для хранения 1-го бита достаточны лишь 1 транзистор и один конденсатор, эти микросхемы обладают высокой плотностью записи. Это значит, что они способны хранить большие объёмы данных. Статическое ОЗУ(RAM)SRAM В большинстве систем основной объём памяти реализован на микросхемах DRAM. Однако для повышения быстродействия в ПК используется высокоскоростная кэш-память. Обычно она построена на технологии SRAM (Static random access memory). В отличие от DRAM технология SRAM не требует постоянного обновления содержимого. Кроме того, контроллер памяти может считывать содержимое памяти без его разрушения. Поэтому время доступа к МС SRAM составляет 10нс и меньше. В МС SRAM для хранения 1-го бита информации не используются конденсатор, заряд которого необходимо обновлять, но используется несколько транзисторов (5-6), поэтому МС SRAM обладает меньшей ёмкостью, чем МС DRAM такого же размера. Высокое быстродействие понижает ёмкость и повышает цену. Высокая цена делает МС SRAM более пригодной для реализации кэш-памяти, а не ОЗУ. Компоновка модулей RAM Обычно модуль RAM содержит несколько МС памяти. Существует 2 категории МС памяти: SIMM и DIMM. SIMM (Single in Line Memory Module) – память с односторонним расположением выводов, DIMM (Dual in Line Memory Module) – модуль с двухрядным расположением выводов. SIMM – 72 контактный разъем может одновременно передавать 32 разряда данных, DIMM – от 168 до 240 контактов – 64 разряда. Банки памяти Модули памяти вставляются в гнезда системной платы, которая иногда называется банками памяти. Точнее говоря, банк соответствует группе гнезд, которые обеспечивают передачу данных в количестве, соответствующем разрядности системной шины. Предположим, системная шина 64 разряда. Если используется 32 разряда модулей для обеспечения необходимого количества разрядов нужно объединить 2 модуля. При установке памяти обычно следует формирование банка. В рассмотренном примере нельзя использовать один модуль памяти для 64 разрядной шины, т.к. он предоставляет только 32 разряда данных. Необходимо установить 2 модуля. Конструкция системной платы может накладывать и другие ограничения на установленные модули памяти. Часто требуется, чтобы модули одного банка имели один размер, т.е. нельзя вставить в первое гнездо модуль, использующий 32 МБ, а во второй 128 МБ. Для некоторых системных плат необходимо, чтобы модули одного банка имели одинаковое быстродействие. Часто допускается установка модулей различной емкости в различные банки. Например, вставить 2 модуля емкостью по 32 МБ в первое гнездо, а затем поместить в 2 следующие гнезда модули по 16 МБ. Скоростной показатель работы микросхем памяти Название RAM означает, что CPU(APU) может производить обращение к любой ячейке памяти, каждый раз затрачивая одинаковое время. В отличие от этого время доступа дискового накопителя к некоторым секторам зависит от расстояния, на которое необходимо переместить головку чтения/записи для обнаружения необходимых дорожек, а также время ожидания, пока сектор повернется к головке. Промежуток времени, необходимый для возврата значения модулем памяти , называется временем доступа (access time). Время доступа зависит от технологии изготовления МС памяти. Например, если доступ к МС DRAM обычно находится в диапазоне 10-20 нс., время доступа к SRAM < 10 нс. В последние годы появились новые технологии производства микросхем памяти. Обычно каждый разработчик преследует цель снижения времени доступа к памяти. Технологические решения модулей памяти.
Чередование адресов памяти В процессе обращения к памяти много времени затрачивается на вычисления, которые контроллер затрачивает для поиска значений в микросхемах памяти. Данные в микросхемах памяти организованы в виде строк и столбцов. Количество строк и столбцов зависит от компоновки микросхем. Чтобы определить местонахождение байта в микросхеме памяти, контроллер должен сначала узнать, в какой строке содержатся данные. После этого контроллер определяет начальный столбец данных. Чередование адресов памяти – давно разработанный прием с ускоренными операциями памяти. Значение байтов помещается в различные банки памяти. Пока контроллер первого банка ведет поиск строки и столбца первого байта, контроллер второго банка выполняет такие же операции, в результате чего оба байта становятся доступными одновременно. Ускоренный страничный обмен FPM Технология с FPM обеспечена новыми быстродействующими системами за счет того, что микросхемы памяти запоминают адрес строки для предыдущей операции. В результате снижается время доступа к памяти. Например, если первое обращение состоит 60 нс, из них 15 нс соответствует поиску строки, последующие обращения к соседним ячейкам памяти в той же строке будут продолжаться лишь 45нс. FPM предусматривает раздел памяти на страницы фиксированного размещения, в зависимости от конструктивного решения может составлять от 512 байт до 4кбт. Все ячейки одной страницы имеют один адрес строки. Отслеживая ссылки на страницы, контроллер может временного доступа для последовательности ссылок на ячейки памяти . ОЗУ с расширенными возможностями вывода EDO В 1995 году Pentium реализовал возможности EDO вместо FPM. Mc EDO как и McFPM обеспечил снижение время доступа при последовательности ссылках на ячейки памяти . Кроме того технология EPORAX характеризуется сокращением продолжительности цикла за счет устранения продолжительности времени для установления адреса столбца. Причина в том что операция поиска последующего столбца, выполняется пока МС даст вывод данных, обслуживания предыдущих запросов. Синхронная динамическая ОЗУ SDRAM. Несмотря на улучшение скорости показатели МС они по прежнему ограничивают быстроту системы т.к. такт частоты модуля памяти отличается от тактической частоты системной шины. В конце 90-х годов появляется МС SDRAM. Эффект производительности системы достигли за счет синхронной операционной МС памяти и системной шины. Поэтому скорость показателя МС SDRAM указывает в Гц. Чтобы определить продолжительность цикла модуля SDRAM достаточно единицу разделить на значения частоты в герцах. Например, если микросхема памяти работает с тактовой частотой 100 МГц, ее время доступа составляет 10 нс. Для дальнейшего увеличения оперативной памяти производители обеспечивают поддержку системной шины, работающей на частоте 266МГц. с эффективной частотой 533 МГц. Понятие эффективная частота отталкивается от производительности обычной памяти SDRAM.То есть это частота с которой должна была бы работать обычная SDRAM , что бы иметь аналогичную производительность с DDR,DDR2,DDR3,DDR4. С этой целью были выпущены микросхемы синхронизирующие динамическое ОЗУ с двойной скоростью передающие данные DDR SDRAM – double data rate synchronous dynamic RAM ), а так же усовершенствованы микросхемы SDRAM ( ESDRAM Enhaced SDRAM). При использовании DDR SDRAM достигается удвоенная скорость работы, нежели в SDRAM, за счёт считывания команд и данных не только по фронту, как в SDRAM, но и по спаду тактового сигнала. За счёт этого удваивается скорость передачи данных без увеличения частоты тактового сигнала шины памяти.. В микросхемах ЕSDRAM увеличение быстродействия достигается за счет использования собственного встроенного буфера ( КЭШ – память ).Затем появилась DDR2,DDR3,DDR4. Соответственно эффективные частоты возросли до 1200,2400 и 4800МГц. Основное отличие DDR2 от DDR — вдвое большая частота работы шины, по которой данные передаются в буфер микросхемы памяти. При этом, чтобы обеспечить необходимый поток данных, передача на шину осуществляется из четырёх мест одновременно. Скорость передачи данных для SDRAM DDR3 достигает 19200 МБ/с. Направление развития SDRAM DDR4 является перспективным и 2013 году может охватить до 50% рынка. Память RAMBUS Технология RAMBUS в 99 году повысила производительность системы за счет использования высокоскоростной специальной шины для передачи данных между RAM и ЦПУ. Эта шина RAMBUS передает 16разрядные данные с частотой 800 МГц. В технологии RAMBUS используется специальная микросхема памяти – RIMM (RAMBUS inline Memory mode) линейный модуль памяти RAMBUS. Модуль RIMM вставляется в специальное гнездо, имеющее 168 контактов. Уникальная особенность шины RIMM состоит в том, что с каждым её гнездом должен быть соединён модуль RIMM или специальный модуль связанности, который обеспечивает целостность шины. Не смотря на прогрессивность распространение не получила и проиграла в ценовой конкуренции. Видеопамять Этот памяти используется для видеокарт большой производительности. Большинство видеокарт содержит устройство памяти для хранения текущих видеоизображений. Для ускорения функционирования многие видеокарты содержат специальные МС двойного режима , VRAM память, которые поддерживают операции R/W. С помощью этой МС контроллер видеокарты может обновлять содержание видеопамяти, пока ЦАП карты поддерживает содержимое памяти, чтобы вывести изображение на монитор.VRAM обеспечивала пропускную способность до 320МБ/с . Затем появилась ее модификация WRAM c пропускной способностью до 640 МБ/с. В результате нескольких лет эксплуатации технология WRAM подверглась изменениям и в видеосистемах уступила памяти типа SDRAM DDR.,а за тем GDDR2. GDDR2 - это тип компьютерной перезаписываемой энергозависимой памяти, используемой в графических ускорителях. GDDR2, по сути является DDR2 с интерфейсом и упаковкой, спроектированными специально для работы на максимально возможных частотах и для коротких шин. При этом отличия GDDR2 от «обычной» DDR2 почти полностью заключаются в упаковке. GDDR3 имеет почти такое же технологическое ядро, как DDR2 , но имеет более высокую эффективную частоту. В силу специфики использования графической памяти , а именно соединения GPU и DRAM с топографией точка-точка, при формировании I/O шины GDDR3 используется технология с открытым стоком и привязанная к этому специфическая реализация внутрикристалльной терминации (on-die termination, ODT), в отличие от двухтактной шины у стандартной DDR2, что позволяет радикально поднять тактовые частоты и упростить разводку плат. GDDR5 (. GraphicsDoubleDataRate) — 5 поколение памяти DDR3 SDRAM, спроектированной для приложений, требующих высокой полосы пропускания. GDDR5 основан на памяти DDR3, которая имеет удвоенные по сравнению с DDR2 DQ(Digital Quest) каналы связи , но у GDDR5 также есть буферы предварительной выборки шириной 8 битов как у GDDR4. Интерфейс GDDR5 передает два информационных слова шириной 32 бита за тактовый цикл (WCK) на\из штырьков ввода - вывода. Эффективная частота составляет до 5 ГБ/c. Лекция №6 Тема: Архитектура современных ЛВС Вопросы: Понятие ЛВС Архитектура ЛВС Классификация ЛВС (1) Локальные сети Под Локальной вычислительной сетью (ЛВС) понимают совместное подключение отдельных компьютеров (рабочих станций) к каналу передачи данных. Понятие ЛВС относится к географически ограниченным реализациям, в которых несколько рабочих станций связанны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. ЛВС включает в себя кабельную локальную сеть ЛВС или СКС, активное сетевое оборудование и компьютеры различного назначения. Преимущества применения структурированной кабельной системы (СКС), локальной вычислительной сети (ЛВС): возможность получить и отправлять любую информацию на любом рабочем месте свободное добавление, удаление и перемещения рабочих мест сотрудников внутри офиса/здания быстрое наращивание системы оборудования без затрат на кабельную сеть высокая скорость передачи данных Недостатки Ограниченная масштабированность сети ,так как при достижение определенного придела по количеству узлов в сети по протяженности каналов связи редко снижаются характеристики Разделение ресурсов. Разделение ресурсов позволяет экономно использовать ресурсы, например, управлять периферийными устройствами, такими как лазерные печатающие устройства, со всех присоединенных рабочих станций. Разделение данных. Разделение данных предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации. Разделение программных средств. Разделение программных средств, предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств. |