Тема 7. Тема адаптеры. Запоминающие устройства ЭВМ
 Скачать 181.96 Kb.
|
|
Рис. 7.2. Размещение информации в основной памяти Область памяти пользователя заканчивается адресом 9FFFF. Этот адрес является физической границей оперативного ЗУ, последним адресом 640-Кбайтной основной памяти. Остальное адресное пространство (128 Кбайт с адреса А0000 по BFFFF) отведено под видеопамять, которая физически размещается не в ОП, а в адаптере дисплея. После видеопамяти расположено адресное пространство (256 Кбайт) постоянного запоминающего устройства, хранящего программы базовой системы ввода-вывода (BIOS - «Basic Input/Output System»). Эта часть ОП еще называется ROM-BIOS. Из отведенных 256 Кбайт непосредственно ПЗУ занимает 64 Кбайта, а остальные 192 Кбайта оставлены для расширения ПЗУ. Поскольку большая часть оставленной для расширения BIOS части адресного пространства не используется, в этих адресах часто располагается информация, необходимая для работы сетевых карт, графических расширителей и др. Расширение основной памяти ЭВМ В начале 80-х годов Билл Гейтс, президент корпорации Microsoft, сказал: ” Мне кажется, любому пользователю всегда будет достаточно объема оперативной памяти в 640 Кбайт...” Рабочая концепция фирмы IBM при создании IBM PC также содержала гипотезу, что объем основной памяти ЭВМ, предназначенной для персонального использования в любой предметной области, не должен превышать 640 Кбайт. Поэтому в базовую модель IBM PC заложили 20-разрядную шину адреса системной магистрали. Наличие 20 линий в шине адреса позволяло адресовать память большего объема, чем было предусмотрено концепцией (220 = 1 Мбайт). «Излишек» адресного пространства в 384 Кбайта был поделен между видеопамятью (128 Кбайт) и ПЗУ (256 Кбайт). Физически увеличить объем памяти несложно, для этого необходимо только подключить к системной магистрали дополнительные модули. Такую возможность в IBM PC предусмотрели, но каждый байт дополнительной памяти должен иметь уникальный адрес, а адресного пространства для дополнительной памяти нет. Существует несколько способов разрешения таких конфликтов. Один из них - банкирование памяти: вся память делится на блоки (банки), емкость которых не выходит за пределы допустимого адресного пространства; во время работы специальными командами можно переключать банки, делая активным любой из них, или осуществлять групповую перезапись информации из одного банка в другой. В IBM PC XT фирма IBM применила другой способ: 256 Кбайт было сначала оставлено для ПЗУ, в котором размещалась базовая система ввода/вывода (BIOS). Анализ программ BIOS показал, что в оставленном для ПЗУ адресном пространстве (UMB - Upper Memory Block) имеются «окна» - неиспользуемые участки. Четыре таких участка (page frames) по 16 Кбайт были выделены, и их адреса стали использоваться для адресации дополнительной памяти, подключенной к системной магистрали. Таким образом общий объем ОП удалось увеличить на 64 Кбайта. Специальная программа (драйвер дополнительной памяти) «перехватывала» обращение к «окнам» ПЗУ и вместо них «подставляла» дополнительный модуль памяти (Expanded Memory). Дополнительная память не обязательно должна была иметь объем 64 Кбайта. Ее объем мог быть и значительно большим (выпускаются модули дополнительной памяти объемом 32, 64 Мбайт и более). При этом драйвер дополнительной памяти делил ее на блоки по 16 Кбайт и «отображал» каждое окно UMB на один из блоков Expanded Memory. Из-за этого память такого вида получила название отображаемой памяти. Но развитие персональных ЭВМ привело к необходимости более серьезной корректировки рабочей концепции. Увеличение разрядности шины адреса и адресных регистров до 32 и 64 изменило принцип формирования абсолютного адреса ОП. Виртуальные режимы отображения памяти ЭВМ Желание использовать в реальном режиме всю фактически имеющуюся в наличии дополнительную память привело к созданию двух виртуальных режимов: Стандарт EMS (Expanded Memory Specifications), реализующий принцип банкирования дополнительной памяти. Вся дополнительная память делится на страницы (банки) емкостью по 16 Кбайт; выбираются четыре страницы и объявляются активными. Выбранные активные страницы отображаются на четыре окна UMB, теперь при обращении к одному из окон UMB вместо него подставляется отображенная на него страница дополнительной памяти. Это позволило использовать всю дополнительную память любого объема. В соответствии с этим стандартом работают драйверы XMA2EMS.SYS, EMM386.SYS и др. Стандарт XMS (Extended Memory Specification). Это другой виртуальный режим, основанный на том, что за счет кратковременного разблокирования дополнительных (по сравнению с XT) линий шины адреса системной магистрали удается увеличить доступное MS DOS адресное пространство еще почти на 64 Кбайта, начиная с адреса FFFFF (т.е. за пределами адресного пространства в 1 Мбайт). Эта область адресного пространства (64 Кбайта, начиная с 1 Мбайта) получила название НМА (High Memory Area) - старшая область памяти. Блоки памяти, расположенные выше границы НМА, называются ЕМВ (Extanded Memory Blocks) - расширенные блоки памяти. В этом стандарте программные модули могут располагаться только в НМА, а остальная память может использоваться лишь для хранения данных. Стандарт XMS реализуется драйвером HIMEM.SYS, который способен работать с шиной адреса, имеющей до 32 линий. Сверхоперативные запоминающие устройства Используются для хранения небольших объемов информации и имеют значительно меньшее время (в 2 - 10 раз) считывания/записи, чем основная память. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах. Регистр представляет собой электронное устройство, способное хранить занесенное в него число неограниченно долго (при включенном питании). Наибольшее распространение получили регистры на статических триггерах. По назначению регистры делятся на регистры хранения и сдвига. Информация в регистры может заноситься и считываться либо параллельно, сразу всеми разрядами, либо последовательно, через один из крайних разрядов с последующим сдвигом занесенной информации. Сдвиг записанной в регистр информации может производиться вправо или влево. Если регистр допускает сдвиг информации в любом направлении, он называется реверсивным. Регистры могут быть объединены в единую структуру. Возможности такой структуры определяются способом доступа и адресации регистров. Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом. Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содержанию (ассоциативные ЗУ). Память магазинного типа образуется из последовательно соединенных регистров (рис.7.3).  Рис. 7.3. Регистровая структура магазинного типа: а ‒ типа FIFO; б ‒ типа FILO Если запись в регистровую структуру производится через один регистр, а считывание - через другой, то такая память является аналогом линии задержки и работает по принципу «первым вошел - первым вышел» (FIFO - first input - first output). Если же запись и чтение осуществляются через один и тот же регистр, такое устройство называется стековой памятью, работающей по принципу «первым вошел - последним вышел» (FILO - first input - lastoutput). При записи числа в стековую память сначала содержимое стека сдвигается в сторону последнего, К-го регистра (если стек был полностью заполнен, то число из К-го регистра теряется), а затем число заносится в вершину стека - регистр 1. Чтение осуществляется тоже через вершину стека. После того как число из вершины прочитано, стек сдвигается в сторону регистра 1. Стековая память получила широкое распространение. Для ее реализации в ЭВМ разработаны специальные микросхемы. Но часто работа стековой памяти эмулируется в основной памяти ЭВМ. В стек может быть загружен в определенной последовательности ряд данных, которые впоследствии считываются из стека уже в обратном порядке, на этом свойстве построена система арифметических преобразований информации, известная под названием «логика Лукашевича». Память с выборкой по содержанию является безадресной. Обращение к ней выполняется по специальной маске, которая содержит поисковый образ. Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске. Например, если в такую память записана информация, содержащая данные о месте жительства (включая город), и необходимо найти сведения о жителях определенного города, то название этого города помещается в маску и дается команда чтение - из памяти выбираются все записи, относящиеся к заданному городу. В микропроцессорах ассоциативные ЗУ используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов, исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или требуемым операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес; если искомая информация имеется в СОЗУ, она будет сразу выдана. Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОП, а это позволяет экономить время, так как обращение к СОЗУ требует в 2 - 10 раз меньше времени, чем обращение к ОП. Кэш-память может быть размещена в кристалле процессора (так называемая «кэш-память I уровня») или выполнена в виде отдельной микросхемы (внешняя кэш-память, или кэш-память II уровня). Встроенная кэш-память (I уровня) в процессорах Penti um имеет объем около 16 Кбайт, время доступа 5 - 10 нс, работает с 32-битными словами и обеспечивает пропускную способность более 667 Мбайт/с. Внешняя кэш-память (II уровня) имеет объем 256 Кбайт - 1 Мбайт, время доступа - 15 нс, работает с 64-битными словами и обеспечивает максимальную пропускную способность более 528 Мбайт/с. Конструктивно исполняется либо в виде 28-контактной микросхемы, либо в виде модуля расширения на 256 или 512 Кбайт. В современных ЭВМ микросхемы памяти (ОП и СОЗУ) изготавливают из кремния по полупроводниковой технологии с высокой степенью интеграции элементов на кристалле (микросхемы памяти относятся к так называемым «регулярным» схемам, что позволяет сделать установку элементов памяти в кристалле (чипе) настолько плотной, что размеры элементов памяти становятся сопоставимыми с размерами отдельных атомов). Внешние запоминающие устройства Внешняя память предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность ее содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от внешнего запоминающего устройства (ВЗУ) к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке: ВЗУ ОЗУ Кэш Процессор В состав внешней памяти компьютера входят: магнитные накопители; оптические накопители; магнито-оптические накопители. Магнитные накопители Накопители на гибких магнитных дисках используют гибкий диск (англ. Floppy disk), или дискету - носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. На диски нанесены концентрические дорожки. Запись и хранение информации на этих пластинах происходит за счёт преобразования электрических сигналов в определённые изменения магнитного поля с последующим воздействием этим полем на магнитную пластину. Благодаря явлению остаточного магнетизма следы от этих воздействий сохраняются в магнитном материале на длительный срок. Считывание информации, т.е. воспроизведение электрических сигналов, происходит точно так же, только в обратном направлении. Магнитные домены или битовые ячейки представляют собой чередующиеся участки с различным направлением намагниченности. Плотность магнитной пластины определяется размерами ячеек: чем они меньше, тем выше плотность записи информации. Битовые ячейки формируют секторы, которые впоследствии определяют минимальную логическую единицу хранения данных - кластер (рис. 7.4).  Рис. 7.4. Поверхностьмагнитного диска Для считывания и записи информации используются магнитные головки, которые собраны на механическом перемещающемся приводе, предназначенном для позиционирования. Информация записывается по концентрическим |