Лаб_ВМСиС. Вычислительные машины, системы и сети
 Скачать 2.31 Mb.
|
Лабораторная работа № 3.Запоминающие устройства персонального компьютера
В результате выполнения данной работы студенты должны знать принципы построения, состав, назначение запоминающих устройств ЭВМ и особенности их функционирования. 2. Основы теории 2.1 Запоминающие устройства1. Общая характеристика ЗУПерсональные компьютеры имеют четыре уровня памяти:
Две важнейших характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) указанных типов памяти приведены в табл. 1. Таблица 1. Сравнительные характеристики запоминающих устройств
Быстродействие первых трех типов запоминающих устройств измеряется временем обращения (tо6р) к ним, а быстродействие внешних запоминающих устройств – двумя параметрами: временем доступа (tдост) и скоростью считывания (Vсчит): tо6р – сумма времени поиска, считывания и записи информации; tдост –время поиска информации на носителе; Vсчит – скорость последовательного считывания смежных байтов информации. Напомним общепринятые сокращения: с – секунда, мс – миллисекунда, мкс – микросекунда, нc – наносекунда; 1с = 103 мс = 106 мкс = 109 нс. 2. Основная памятьСтатическая и динамическая памятьОперативная память может составляться из микросхем динамического (Dynamic Random Access Memory – DRAM) или статического (Static Random Access Memory – SRAM) типа. Память статического типа обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже DRAM. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии сколь угодно долго – необходимо только наличие питания. Ячейки SRAM имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе отличаются низкой удельной емкостью (единицы Мбит на корпус) и высоким энергопотреблением. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш-память). Ячейки динамической памяти занимают гораздо меньшую площадь и практически не потребляющих энергии при хранении. Поскольку конденсаторы, из которых состоит ДП, постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке в течение нескольких миллисекунд), во избежание потери хранимой информации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти – динамическая. На подзаряд тратится и энергия, и время, и это снижает производительность системы. Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (десятки наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК. Регистровая кэш-памятьРегистровая кэш-память – высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название кэш (cache), что в переводе с английского означает «тайник». В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы – быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП. По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш-памяти:
Микропроцессоры начиная от МП 80486 обладают встроенной в основное ядро МП кэш-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня – L1), чем, в частности, и обусловливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд: у Pentium емкость этой памяти небольшая – по 8 Кбайт, у Pentium MMX – по 16 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кбайт до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте. Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (L3) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов (кэш на MB относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-го уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш работает, и составляет обычно 1-2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2-5 нс, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени обращения, и от пропускной способности интерфейса и лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с. Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность системы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие, но эта зависимость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современных ПК рост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Мбайт кэш-памяти L2. Создается кэш-память на основе микросхем статической памяти. Основная памятьОсновная память (ОП) содержит оперативное (RAM – Random Access Memory) и постоянное (ROM – Read Only Memory) запоминающие устройства. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе в текущий интервал времени. ОЗУ – энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Основу ОЗУ составляют микросхемы динамической памяти DRAM. Это большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов – полупроводниковых конденсаторов. Наличие заряда в конденсаторе обычно означает «1», отсутствие заряда – «0». Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде отдельных модулей памяти – небольших плат с напаянными на них одной или, чаще, несколькими микросхемами. Эти модули вставляются в разъемы – слоты на системной плате. На материнской плате может быть несколько групп разъемов – банков – для установки модулей памяти; в один банк можно ставить лишь блоки одинаковой емкости, например, только по 128 Мбайт или только по 256 Мбайт; блоки разной емкости можно устанавливать только в разных банках. В настоящее время используются следующие конструктивы модулей (микросхем) оперативной памяти:
SIMM (Single In-line Memory Module) представляет собой печатную плату с односторонним краевым разъемом типа слот. Микросхемы SIMM бывают двух разных типов: короткие на 30 контактов (длина 75 мм) и длинные на 72 контакта (длина 100 мм). Модули SIMM имеют емкость 256 Кбайт, 1, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайт. Модули SIMM выпускаются с контролем и без контроля по четности и с эмуляцией контроля по четности. Память SIMM отличается также низким быстродействием – обычно она имеет время обращения 60 и 70 нс. Сейчас такое время обращения считается нежелательным, поэтому модули SIMM встречаются только в устаревших ПК (с 386 и 486 МП). DIMM (Dual In-line Memory Module) – более современные модули, имеющие 168-контактные разъемы (длина модуля 130 мм); могут устанавливаться только на те типы системных плат, которые имеют соответствующие разъемы. Появление DIMM стимулировалось выпуском процессоров Pentium, имеющих 64-битовую шину данных. Емкость модулей DIMM: 16, 32, 64, 128, 256 и 512 Мбайт. Время обращения, характерное для современных модулей DIMM, работающих на частоте 100 и 133 МГц (модули РС100, РС133), лежит в пределах 6-10 нс. RIMM (Rambus In-line Memory Module) – новейший тип оперативной памяти. Модули RIMM могут быть использованы на системных платах с форм-фактором ATX, BIOS и чипсеты которых согласованы с данным типом памяти. Среди микросхем фирмы Intel это чипсеты i820, 1840, i850 и их модификации. На системной плате предусматривается до четырех разъемов под данные модули. Необходимо отметить, что модули RIMM требуют интенсивного охлаждения. Это связано со значительным энергопотреблением и, соответственно, тепловыделением, что обусловлено высоким быстродействием данных модулей памяти (время обращения 5 нc и ниже). В настоящее время спецификации определяют три типа модулей, различающихся рабочими частотами и пропускной способностью. Обозначаются они как RIMM PC800, RIMM PC700, RIMM PC600. Наиболее быстродействующими являются модули RIMM PC800, работающие с чипсетом i850 на внешней тактовой частоте 400 МГц и имеющие пропускную способность 1,6 Гбайт/с. Модули RIMM PC600 и RIMM PC700 предназначены для работы на повышенных частотах шины памяти, например на частоте 133 МГц, поддерживаемой современными чипсетами. Типы оперативной памятиРазличают следующие типы оперативной памяти:
FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) – динамическая память использовалась с микропроцессорами 80386 и 80486. Ее скоростные параметры (60 и 70 нс) оказались не эффективны в системах с процессорами уровня Pentium П. Модули FPM DRAM в основном выпускались в конструктиве SIMM. RAM EDO (EDO – Extended Data Out, расширенное время доступности данных на выходе) фактически представляет собой обычные микросхемы FPM, к которым добавлен набор регистров-«защелок», благодаря чему данные на выходе могут удерживаться в течение следующего запроса к микросхеме. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FPM ускорить процесс считывания последовательных массивов данных. При случайной адресации такая память никакого выигрыша в быстродействии не дает. Память типа RAM EDO имеет минимальное время обращения 45 нс и максимальную скорость передачи данных по каналу процессор-память 264 Мбайт/с. Модули RAM EDO выпускались в конструктивах SIMM и DIMM. BEDO DRAM (Burst Extended Data Output, EDO с блочным доступом). Современные процессоры благодаря внутреннему и внешнему кэшированию команд и данных обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной длины. Этот вид памяти позволяет обрабатывать данные пакетно (блоками) так, что данные считываются блоками за один такт. Этот метод позволяет BEDO DRAM работать очень быстро. Память BEDO DRAM поддерживают некоторые чипсеты фирм VIA Apollo (580VP, 590VP, 680VP) и Intel (i480TX и т. д.) на частоте шины не выше 66 МГц. Активную конкуренцию этому виду памяти оказала память SDRAM, которая ее и вытеснила. BEDO DRAM представлена модулями и SIMM и DIMM. SDRAM (Synchronous DRAM – синхронная динамическая память), память с синхронным доступом, увеличивает производительность системы за счет синхронизации скорости работы ОЗУ со скоростью работы шины процессора. SDRAM также осуществляет конвейерную обработку информации, выполняя внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где удается исключить дополнительные такты ожидания. Память SDRAM может устойчиво функционировать на высоких частотах: выпускаются модули, рассчитанные на работу при частотах 100 МГц (спецификация РС100) и 133 МГц (РС133). 266 МГц (PC266). Время обращения к данным в этой памяти зависит от внутренней тактовой частоты МП и достигает 5-10 нc, максимальная скорость передачи данных «процессор-память» при частоте шины 100 МГц составляет 800 Мбайт/с (фактически равна скорости передачи данных по каналу процессор-кэш). Память SDRAM дает общее увеличение производительности ПК примерно на 25%. Правда, эта цифра относится к работе ПК без кэш-памяти, – при наличии мощной кэш-памяти выигрыш в производительности может составить всего несколько процентов. SDRAM обычно выпускается в 168-контактных модулях типа DIMM и имеет 64-разрядную шину данных. Используется не только в качестве оперативной памяти, но и как память видеоадаптеров, где она полезна при просмотре живого видео и при работе с трехмерной графикой. DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM – SDRAM II). Вариант памяти SDRAM, обеспечивающий удвоенную пропускную способность по сравнению с традиционной памятью SDRAM (до 1,6 Гбайт/с при частоте шины 100 МГц). Кроме того, DDR SDRAM может работать на более высокой частоте – в начале 2000 года были выпущены 143, 166 и 183 МГц 64-мегабитовые модули DDR SDRAM. Модули DDR DRAM конструктивно совместимы с традиционными 168-контактными DIMM. Используются не только в качестве элементов оперативной памяти, но и в высокопроизводительных видеоадаптерах. Сейчас они ориентированы в первую очередь на рынок видеоадаптеров. DRDRAM (Direct Rambus DRAM – динамическая память с прямой шиной для RAM) – перспективный тип оперативной памяти, позволивший значительно увеличить производительность компьютеров. Высокое быстродействие памяти Direct RDRAM достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах. D частности, применением собственной двухбайтовой шины Rambus с частотой 800 МГц, обеспечивающей пиковую пропускную способность до 1,6 Гбайт/с. Фирма Intel выпустила чипсеты i820, i840, 1850 с поддержкой DRDRAM. Модули Direct RDRAM – RIMM внешне подобны модулям DIMM. Увеличение разрядности и частоты шины Rambus, обещанное и реализуемое в ближайшие годы, делает память DRDRAM, несмотря на ее высокую стоимость, весьма перспективной. Постоянные запоминающие устройстваПостоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM – Read Only Memory, память только для чтения) также строится на основе установленных на системной плате модулей и используется для хранения неизменяемой информации: программ загрузки операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS) и т. д. К ПЗУ принято относить энергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию. По технологии записи информации можно выделить ПЗУ следующих типов:
Емкость современных ПЗУ – до 512 Мбайт, время обращения по считыванию 0,035-0,2 мкс, время записи одного байта 2-10 мкс. |