Данные в ЭВМ - это наборы битов, байтов и записей, которые должны быть записаны в памяти машины.

В современных ЭВМ данные размещаются не только в оперативной, но и в долговременной памяти.

В долговременной памяти могут размещаться данные больших объемов, а также целые комплексы программ, используемых для управления работой ЭВМ и автоматизированных систем.

Как устроена память компьютера

Память компьютера лучше всего представить себе в виде последовательности ячеек. Количество информации в каждой ячейке – один байт.

Любая информация сохраняется в памяти компьютера в виде последовательности байтов. Байты (ячейки) памяти пронумерованы один за другим, причем номер первого от начала памяти байта приравнивается к нулю. Каждая конкретная информация, которая сохраняется в памяти, может занимать один или несколько байтов. Количество байтов, которые занимает та или иная информация в памяти, являются размером этой информации в байтах.

Например, целое плюсовое число от 0 до 2 8 -1=255 занимает 1 байт памяти. Для хранения целого плюсового числа от 2 8= 256 до 2 16 -1=65536 нужно уже два последовательных байта.

Основная задача при работе с памятью состоит в том, чтобы найти место в памяти, где находится необходимая информация.

Для того, чтобы найти человека в большом городе, необходимо знать его точный адрес. Так же, чтобы найти место той или иной информации в памяти, введено понятие адреса в памяти.

Например, если слово "информатика", которое состоит из 11 букв, занимает байты с номерами от 1234 до 1244 (всего 11 байтов), то адрес этого слова равняется 1234.

Чем больше объем памяти, тем больше файлов и программ она может вместить, тем больше задач можно развязать с помощью компьютера.

Чем же определяется объем доступной памяти компьютера или какое наибольшее число можно использовать для указания адреса?

Адрес, как и любая информация в компьютере, подается в двоичном виде. Значит, наибольшее значение адреса определяется количеством битов, которые используются для его двоичной подачи. В одном байте (8 битов) можно сохранять 2 8 (=256) чисел от 0 до 255, в двух байтах (16 битов) - 2 16 чисел от 0 до 65536, в четырех байтах (32 бита) – 2 32 чисел от 0 до 4294967295.

Виды памяти

Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ или англ.RAM от Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстро запоминающее устройство не очень большого объема, которое непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, которые обрабатываются этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается то все, что находилось на ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой – это значит, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт. Для не сложных административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ.

Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти SDRAM (синхронное динамическое ОЗУ). Каждый информационный бит в SDRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за утечки токов такие конденсаторы быстро разряжаются и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Микросхемы SDRAM имеют емкость от 16 до 256 Мбит и более. Они устанавливаются в корпусе и собираются в модули памяти. Большинство современных компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual-In-line Memory Module - модуль памяти с двухрядным расположением микросхем). В компьютерных системах на самых современных процессорах используются

Высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM) и DDR DRAM.

Сразу после включения компьютера начинают "тикать" электронные "часы" основной шины. Их импульсы расталкивают заспавшийся процессор, и тот может начинать работу. Но для работы процессора нужны команды.

Точнее говоря, нужны программы, потому что программы - это и есть упорядоченные наборы команд. Таким образом, где-то в компьютере должна быть заранее, заготовлена пусковая программа, а процессор в момент пробуждения должен твердо знать, где она лежит.

Хранить эту программу на каких-либо носителях информации нельзя, потому что в момент включения процессор ничего не знает ни о каких устройствах. Чтобы он о них узнал, ему тоже нужна какая-то программа, и мы возвращаемся к тому, с чего начали. Хранить ее в оперативной памяти тоже нельзя, потому что в ней в обесточенном состоянии ничего не хранится.

Выход здесь существует один-единственный. Такую программу надо создать аппаратными средствами. Для этого на материнской плате имеется специальная микросхема, которая называется постоянным запоминающим устройством - ПЗУ. Еще при производстве в нее "зашили" стандартный комплекс программ, с которых процессор должен начинать работу. Этот комплекс программ называется базовой системой ввода-вывода.

По конструкции микросхема ПЗУ отличается от микросхем оперативной памяти, но логически это те же самые ячейки, в которых записаны какие-то числа, разве что не стираемые при выключении питания. Каждая ячейка имеет свой адрес.

После запуска процессор обращается по фиксированному адресу (всегда одному и тому же), который указывает именно на ПЗУ. Отсюда и поступают первые данные и команды. Так начинается работа процессора, а вместе с ним и компьютера. На экране в этот момент мы видим белые символы на черном фоне.

Одной из первых исполняется подпрограмма, выполняющая самотестирование компьютера. Она так и называется: Тест при включении (по-английски - POST - Power-On Self Test). В ходе ее работы проверяется многое, но на экране мы видим только, как мелькают цифры, соответствующие проверенным ячейкам оперативной памяти.

Программных средств BIOS достаточно, чтобы сделать первичные проверки и подключить стандартные устройства, такие как клавиатура и монитор. Слово стандартные мы выделили специально. Дело в том, что монитор и клавиатура у вас могут быть очень даже нестандартными. Но на данном этапе это не имеет значения - просто компьютер пока рассматривает их как стандартные. Ему еще не ведомы все их свойства, и он полагает, что клавиатура и монитор у нас такие, какие были в ходу двадцать лет назад, во времена первых компьютеров. Этим обеспечивается гарантия того, что вы хоть что-то увидите на экране, вне зависимости от той модели монитора, какая имеется в вашем распоряжении. BIOS предполагает, что монитор у нас черно-белый - именно поэтому первые сообщения на экранет проходят в черно-белом режиме.

Однако долго работать лишь только со стандартными устройствами компьютер не может. Ему пора бы узнать о том, что у него есть на самом деле. Истинная информация об устройствах компьютера записана на жестком диске, но и его еще надо научиться читать. У каждого человека может быть свой жесткий уникальный диск, не похожий на другие. Спрашивается, откуда программы BIOS узнают, как работать именно с вашим жестким диском?

Для этого на материнской плате есть еще одна микросхема - CMOS-память. В ней сохраняются настройки, необходимые для работы программ BIOS. В частности, здесь хранятся текущая дата и время, параметры жестких дисков и некоторых других устройств. Эта память не может быть ни оперативной (иначе она стиралась бы), ни постоянной (иначе в нее нельзя было бы вводить данные с клавиатуры). Она сделана энергонезависимой и постоянно подпитывается от небольшой аккумуляторной батарейки, тоже размещенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает, чтобы компьютер не потерял настройки, даже если его не включать несколько лет.

Настройки CMOS, в частности, необходимы для задания системной даты и системного времени, при установке или замене жестких дисков, а также при выходе из большинства аварийных ситуаций. Настройкой BIOS можно, например, задать пароль, благодаря которому посторонний человек не сможет запустить компьютер. Впрочем, эта защита эффективна только от очень маленьких детей.

Для изменения настроек, хранящихся в CMOS-памяти, в ПЗУ содержится специальная программа - SETUP. Чтобы ее запустить, надо в самый первый момент после запуска компьютера нажать и удерживать клавишу DELETE. Навигацию в системе меню программы SETUP выполняют с помощью клавиш управления курсором. Нужные пункты меню выбирают клавишей ENTER, а возврат в меню верхнего уровня - клавишей ESC. Для изменения установленных значений служат клавиши Page Up и Page Down.

Кэш-память

Кэш-память - это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды "ближе" к процессору, откуда их можно быстрей получить.

Кэш-память напрямую влияет на скорость вычислений и помогает процессору работать с более равномерной загрузкой. Представьте себе массив информации, используемой в вашем офисе. Небольшие объемы информации, необходимой в первую очередь, скажем список телефонов подразделений, висят на стене над вашим столом. Точно так же вы храните под рукой информацию по текущим проектам. Реже используемые справочники, к примеру, городская телефонная книга, лежат на полке, рядом с рабочим столом. Литература, к которой вы обращаетесь совсем редко, занимает полки книжного шкафа. Компьютеры хранят данные в аналогичной иерархии. Когда приложение начинает работать, данные и команды переносятся с медленного жесткого диска в оперативную память произвольного доступа, откуда процессор может быстро их получить. Оперативная память играет роль КЭШа для жесткого диска. Для достаточно быстрых компьютеров необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. "сверхоперативной" памятью относительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 Кбайт), в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Для компьютеров на основе intel-80386dx или 80486sx размер кэш-памяти в 64 кбайт является удовлетворительным, 128 кбайт - вполне достаточным. Компьютеры на основе intel-80486dx и dx2 обычно оснащаются кэш-памятью емкостью 256 Кбайт.

За последнюю неделю дважды объяснял людям как организована работа с памятью в х86, с целью чтобы не объяснять в третий раз написал эту статью.

И так, чтобы понять организацию памяти от вас потребуется знания некоторых базовых понятий, таких как регистры, стек и тд. Я по ходу попробую объяснить и это на пальцах, но очень кратко потому что это не тема для этой статьи. Итак начнем.

Как известно программист, когда пишет программы работает не с физическим адресом, а только с логическим. И то если он программирует на ассемблере. В том же Си ячейки памяти от программиста уже скрыты указателями, для его же удобства, но если грубо говорить указатель это другое представление логического адреса памяти, а в Java и указателей нет, совсем плохой язык. Однако грамотному программисту не помешают знания о том как организована память хотя бы на общем уровне. Меня вообще очень огорчают программисты, которые не знают как работает машина, обычно это программисты Java и прочие php-парни, с квалификацией ниже плинтуса.

Так ладно, хватит о печальном, переходим к делу.
Рассмотрим адресное пространство программного режима 32 битного процессора (для 64 бит все по аналогии)
Адресное пространство этого режима будет состоять из 2^32 ячеек памяти пронумерованных от 0 и до 2^32-1.
Программист работает с этой памятью, если ему нужно определить переменную, он просто говорит ячейка памяти с адресом таким-то будет содержать такой-то тип данных, при этом сам програмист может и не знать какой номер у этой ячейки он просто напишет что-то вроде:
int data = 10;
компьютер поймет это так: нужно взять какую-то ячейку с номером стопицот и поместить в нее цело число 10. При том про адрес ячейки 18894 вы и не узнаете, он от вас будет скрыт.

Все бы хорошо, но возникает вопрос, а как компьютер ищет эту ячейку памяти, ведь память у нас может быть разная:
3 уровень кэша
2 уровень кэша
1 уровень кэша
основная память
жесткий диск

Это все разные памяти, но компьютер легко находит в какой из них лежит наша переменная int data.
Этот вопрос решается операционной системой совместно с процессором.
Вся дальнейшая статья будет посвящена разбору этого метода.

Архитектура х86 поддерживает стек.

Стек это непрерывная область оперативной памяти организованная по принципу стопки тарелок, вы не можете брать тарелки из середины стопки, можете только брать верхнюю и класть тарелку вы тоже можете только на верх стопки.
В процессоре для работы со стеком организованны специальные машинные коды, ассемблерные мнемоники которых выглядят так:

Push operand
помещает операнд в стек

Pop operand
изымает из вершины стека значение и помещает его в свой операнд

Стек в памяти растет сверху вниз, это значит что при добавлении значения в него адрес вершины стека уменьшается, а когда вы извлекаете из него, то адрес вершины стека увеличивается.

Теперь кратко рассмотрим что такое регистры.
Это ячейки памяти в самом процессоре. Это самый быстрый и самый дорогой тип памяти, когда процессор совершает какие-то операции со значением или с памятью, он берет эти значения непосредственно из регистров.
В процессоре есть несколько наборов логик, каждая из которых имеет свои машинные коды и свои наборы регистров.
Basic program registers (Основные программные регистры) Эти регистры используются всеми программами с их помощью выполняется обработка целочисленных данных.
Floating Point Unit registers (FPU) Эти регистры работают с данными представленными в формате с плавающей точкой.
Еще есть MMX и XMM registers эти регистры используются тогда, когда вам надо выполнить одну инструкцию над большим количеством операндов.

Рассмотрим подробнее основные программные регистры. К ним относятся восемь 32 битных регистров общего назначения: EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP
Для того чтобы поместить в регистр данные, или для того чтобы изъять из регистра в ячейку памяти данные используется команда mov:

Mov eax, 10
загружает число 10 в регистр eax.

Mov data, ebx
копирует число, содержащееся в регистре ebx в ячейку памяти data.

Регистр ESP содержит адрес вершины стека.
Кроме регистров общего назначения, к основным программным регистрам относят шесть 16битных сегментных регистров: CS, DS, SS, ES, FS, GS, EFLAGS, EIP
EFLAGS показывает биты, так называемые флаги, которые отражают состояние процессора или характеризуют ход выполнения предыдущих команд.
В регистре EIP содержится адрес следующей команды, которая будет выполнятся процессором.
Я не буду расписывать регистры FPU, так как они нам не понадобятся. Итак наше небольшое отступление про регистры и стек закончилось переходим обратно к организации памяти.

Как вы помните целью статьи является рассказ про преобразование логической памяти в физическую, на самом деле есть еще промежуточный этап и полная цепочка выглядит так:

Логический адрес --> Линейный (виртуальный)--> Физический

линейный адрес=Базовый адрес сегмента(на картинке это начало сегмента) + смещение

Сегмент кода

Сегмент данных

Сегмент стека

Теперь рассмотрим определение базовых адресов сегмента, я писал что они содержаться в регистрах SS, DS, CS, но это не совсем так, в них содержится некий 16 битный селектор, который указывает на некий дескриптор сегментов, в котором уже хранится необходимый адрес.


Так выглядит селектор, в тринадцати его битах содержится индекс дескриптора в таблице дескрипторов. Не хитро посчитать будет что 2^13 = 8192 это максимальное количество дескрипторов в таблице.
Вообще дескрипторных таблиц бывает два вида GDT и LDT Первая называется глобальная таблица дескрипторов, она в системе всегда только одна, ее начальный адрес, точнее адрес ее нулевого дескриптора хранится в 48 битном системном регистре GDTR. И с момента старта системы не меняется и в свопе не принимает участия.
А вот значения дескрипторов могут меняться. Если в селекторе бит TI равен нулю, тогда процессор просто идет в GDT ищет по индексу нужный дескриптор с помощью которого осуществляет доступ к этому сегменту.
Пока все просто было, но если TI равен 1 тогда это означает что использоваться будет LDT. Таблиц этих много, но использоваться в данный момент будет та селектор которой загружен в системный регистр LDTR, который в отличии от GDTR может меняться.
Индекс селектора указывает на дескриптор, который указывает уже не на базовый адрес сегмента, а на память в котором хранится локальная таблица дескрипторов, точнее ее нулевой элемент. Ну а дальше все так же как и с GDT. Таким образом во время работы локальные таблицы могут создаваться и уничтожаться по мере необходимости. LDT не могут содержать дескрипторы на другие LDT.
Итак мы знаем как процессор добирается до дескриптора, а что содержится в этом дескрипторе посмотрим на картинке:

Дескрипторы состоит из 8 байт.
Биты с 15-39 и 56-63 содержат линейный базовый адрес описываемым данным дескриптором сегмента. Напомню нашу формулу для нахождения линейного адреса:

линейный адрес = базовый адрес + смещение

[база; база+предел)

(база+предел; вершина]

44 S бит если равен 1 тогда дескриптор описывает реальный сегмент оперативной памяти, иначе значение S бита равно 0.

Самым важным битом является 47-й P бит присутствия. Если бит равен 1 значит, что сегмент или локальная таблица дескрипторов загружена в оперативку, если этот бит равен 0, тогда это означает что данного сегмента в оперативке нет, он находится на жестком диске, случается прерывание, особый случай работы процессора запускается обработчик особого случая, который загружает нужный сегмент с жесткого диска в память, если P бит равен 0, тогда все поля дескриптора теряют смысл, и становятся свободными для сохранения в них служебной информации. После завершения работы обработчика, P бит устанавливается в значение 1, и производится повторное обращение к дескриптору, сегмент которого находится уже в памяти.

На этом заканчивается преобразование логического адреса в линейный, и я думаю на этом стоит прерваться. В следующий раз я расскажу вторую часть преобразования из линейного в физический.
А так же думаю стоит немного поговорить о передачи аргументов функции, и о размещении переменных в памяти, чтобы была какая-то связь с реальностью, потому размещение переменных в памяти это уже непосредственно, то с чем вам приходится сталкиваться в работе, а не просто какие-то теоретические измышления для системного программиста. Но без понимания, как устроена память невозможно понять как эти самые переменные хранятся в памяти.
В общем надеюсь было интересно и до новых встреч.

микросхемы ОП

Память (memory) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации.

Скачать презентацию «Характеристики памяти ПК»

Всю память ЭВМ можно разделить на:

1. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)
2. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство)
3. РОН (регистры общего назначения) внутренняя память процессора – его регистры.
4. CMOS (Complement Metal Oxide Semiconductor – комплементарные пары метал-оксид-полупроводник указывает на технологию изготовления данной памяти) – память системных установок(конфигурации).
5. ВЗУ (внешнее запоминающее устройство)
6. Видеопамять – электронная память, размещенная на видеокарте, используется в качестве буфера для хранения кадров динамического изображения.

1,2,3,6 – электронная память, 5 – электромеханическая память.

Характеристики оперативной памяти

Внутренняя память ПК обладает двумя основными свойствами: дискретностью и адресуемостью.

Дискретность – память состоит из битов (бит — элемент памяти, частица информации, хранит двоичный код 0 или 1. Слово бит произошло от англ. «binary digit» — двоичная цифра).

Бит – наименьшая частица памяти компьютера.

Следовательно, у слова «бит» есть два смысла: это единица измерения количества информации и частица памяти компьютера. Оба эти понятия связаны между собой следующим образом:
В одном бите памяти хранится один бит информации.

Память – это упорядоченная последовательность двоичных разрядов(бит). Эта последовательность делится на группы по 8 разрядов. Каждая такая группа образует байт памяти.

Следовательно «бит» и «байт» обозначают не только названия единиц измерения количества информации, но и структурные единицы памяти ЭВМ.
1Кб = 210 байт =1024б
1Мб = 210 Кбайт =1024Кб
1Гб = 1024Мб

Ячейка памяти – группа последовательных байтов внутренней памяти, вмещающая в себе информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора.
Содержимое ячейки памяти называется машинным словом. Байты внутренней памяти пронумерованы. Нумерация начинается с 0.
Порядковый № байта называется адресом байта. Принцип адресуемости памяти заключается в том, что любая информация заносится в память и извлекается из нее по адресам, т.е. чтобы взять информацию из ячейки памяти или поместить ее туда, необходимо указать адрес этой ячейки. Адрес ячейки память равен адресу младшего байта, входящим в ячейку.
Адресация памяти начинается с 0. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове.

Структура оперативной памяти

Оперативная память(ОП) (ОЗУ)

Из ОП ЦП берет исходные данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название «оперативная» память получила потому что работает быстро.
Является энергозависимой, данные и программы сохраняются в ней только до тех пор, пока ПК включен, при выключении ПК содержимое ОП стирается.
ОЗУ предназначена для хранения текущей, быстроменяющейся информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислений.
Используется два основных типа оперативной памяти: статическая память (SRAM-Static RAM — КЭШ) и динамическая память (DRAM-Dynamic RAM — ОЗУ).
Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью) хранимой информации.

Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами: временем доступа(access time) и длительностью цикла памяти (cycle time).
Эти величины, как правило, измеряются в наносекундах. Чем больше эти величины, тем больше быстродействие памяти.
Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова (операнда).
Длительность цикла определяется минимальным допустимым временим между двумя последовательными обращениями к памяти.

В статической памяти элементы построены на триггерах — схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для построения одного триггера требуется 4-6 транзисторов. После
записи информации в статический элемент памяти он может хранить информацию сколь угодно долго (пока подается электрическое питание).
Статическая память имеет высокое быстродействие и низкую плотность размещения хранящихся данных. Этот вид памяти дорог и энергоемок, следовательно, может происходить перегрев,
что снижает надежность система, поэтому вся ОП не может быть построена по статическому принципу.

В динамической памяти элементы памяти построены на основе полупроводниковых конденсаторов, занимающих гораздо более меньшую площадь, чем триггеры в статической памяти.
Для построения динамического элемента памяти требуется 1-2 транзистора. Каждый бит ОП представляется в виде наличия или отсутствия заряда на конденсаторе, образованном в структуре
полупроводникового кристалла. Ячейки динамической памяти очень компактны, но со временем конденсатор испытывает утечку заряда, поэтому периодически (приблизительно 1000 раз в сек.)
выполняется автоматическое восстановление информации в каждой ячейке. Это снижает скорость работы динамической памяти и является основным ее недостатком.

ОП часто обозначают RAM (Random Access memory) – память с произвольным доступом (тип доступа к памяти при котором ячейки памяти пронумерованы, т.е. адресуемы и, следовательно, обращение к ним может производиться в произвольном порядке).

Термин «произвольный доступ» означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любой ячейки.

Заметим, что существует и другая организация памяти, при которой прежде чем считать нужную информацию нужно «вытолкнуть» ранее поступившие операнды.

От объема ОП, установленным на ПК напрямую зависит с каким ПО Вы сможете на нем работать. При недостатке ОП программы не запускаются, выдается сообщение: “Out of memory”, либо работают крайне медленно.

Чем больше ОП в ПК, тем лучше. При необходимости объем ОП можно нарастить (ограничивается параметрами ОП, поддерживаемой конкретной материнской платы, внимательно см.спецификацию к системной плате).

Распределение памяти в ПК (Разделы ОЗУ)

RAM устроена довольно сложно, она иерархична (многоэтажна). ОП разделяют на несколько типов. Деление это обусловлено историческими причинами.
Первые компьютеры были выполнены так, что они могли работать максимально с 640Кб памяти. Выделяют 4 вида памяти:

• Стандартная (conventional memory area)
• Верхняя (upper memory blocks(area))
• Дополнительная (expanded memory specification)
• Расширенная (extended memory specification)

Стандартная (conventional memory area) – базовая, первые 640 Кб, также его часто называют lower.
В мл. адреса этой памяти загружается ОС и драйверы устройств. Оставшуюся свободную часть памяти занимают пользовательские программы.
Резидентные программы так же остаются в этой памяти.

Верхняя (upper memory аrea) – 640Кб — 1Мб используется для хранения служебной информации: памяти видеоадаптера,BIOS.
Спец. драйвер Himem.sys позволяют загружать в свободные участки этой области резидентные программы и драйвера устройств.

High memory – первые 64 Кб после 1Мб. ОС MS DOS позволяет загрузить часть резидентной DOS в эту область, освобождая при этом существенную часть
базовой памяти для работы прикладных программ. Особенно это полезно для программ, использующих всю ОП. Используя спец. утилиты (для DOS emm386.exe)
в верхние разделы памяти можно загружать также и резидентные программы (команды LH для autoexec.bat и DEVICEHIGT для config.sys).

Вся память свыше 1 Мб может быть рассмотрена как дополнительная(expanded) или как расширенная (extended ). В ОС менеджер памяти позволяет использовать память и как расширенную и как дополнительную, автоматически обеспечивая тот тип взаимодействия с данными, который нужен прикладным программам. Т.е. пользователю новых современных ПК (от Pentium) нет необходимости распределять память «в ручную», менеджер выделить память таким образом, как это требует прикладная программа.

Дополнительная(expanded) память – постраничная, т.е. ОП разбивается на страницы, каждой странице ставится в соответствие определенный адрес в основной памяти. При обращении к такому адресу EMM(expanded memory manager) драйвер расширенной памяти(менеджер памяти) позволяет компьютеру считать информацию с соответствующей страницы памяти.

Расширенная (extended) память построчной организации (Smartdrv — драйвер расширенной памяти) используется для создания временного логического диска (виртуального диска), как буфер обмена с жестким диском.

Распределение ОП в ПК с ОС MS-DOS

Микросхемы ОП (модули ОП)

Производительность ПК зависит от типа и размера ОП, а это в свою очередь зависит от набора интегральных схем на материнской плате.

Внешний вид микросхем ОП: пластиковая полоска, на ней расположены кремневые «черепашки» – чипы-микросхемы (то есть используется полупроводниковая технология) и имеются «ножевые» контактные разъемы.

Устройства памяти характеризуются следующими основными показателями:

1. временем доступа (быстродействием). Время доступа – промежуток времени, за который может быть записано (прочитано) содержимое ячейки памяти.
2. емкостью (определяет количество ячеек (битов) в устройстве памяти).
3. стоимостью.
4. потребляемой мощностью (электропотреблением).

Существует 2 модуля памяти, отличающиеся формой, внутренней архитектурой, скоростью работы: SIMM и DIMM.
I. SIMM (SINGLE IN-LINE MEMORY MODULES) (SRAM)
бывают двух типов (отличающихся количеством контактов).

1. 30-контактные модули SIMM. Бывают 1 и 4 Мб. Практически сегодня исчезли из продажи для компьютеров 386, 286-процессором. Сегодня им нашлось интересное применение – в качестве ОП, устанавливаемой в некоторые звуковые платы, например, Greafive Sound Blaster 32 (AWE-32) Gravis UltraSound PnP. Однако новая карта AWE-64 уже содержит свои модули ОП, эта память не нужна.

2. 72-контактные SIMM (на 1, 4, 8, 16, 32, 64 Мб, редко 128 Мб). Внешний вид неизменный, а вот тип устанавливаемой на них памяти меняется (тип памяти указывается на микросхеме).

a) самый старый (редко сейчас встречающийся) – FPM DRAM (или просто DRAM – Dynamic Random Access Memory – динамическая ОП). Работала на 486 и первых Pentium.

b) модифицированный тип EDO DRAM (или EDO – Extended data output).

Микросхемы SIMM выпускаются одинарной и двойной плотности, с контролем четности и без (использование контроля четности позволяет парировать одиночную ошибку памяти). Модули отличаются и по скорости доступа 60 и 70 наносекунд, чем скорость меньше, тем быстрее доступ. 60 наносекунд быстрее 70 наносекунд. Модули SIMM в материнской плате Pentium и Pentium MMX устанавливаются только попарно, образуя так называемый банк.

Пример необходимо 32 Мб => 2 модуля SIMM по 16 Мб.
необходимо 64 Мб => 4 модуля SIMM по 16 Мб или 2 модуля SIMM по 32Мб.

В рамках одного банка можно использовать только одинаковые по емкости и скорости доступа модули SIMM. Если на вашей материнской плате 4 слота для модулей памяти SIMM, то можно сформировать два банка различной емкости.

II. DIMM (SDRAM DUAL IN-LINE MEMORY MODULES).

Появился впервые у MMX- компьютеров, стал основой для PII., поэтому у PII редко бывают SIMM-разъемы. DIMM не обязательно должно быть четное число. Модули DIMM бывают емкостью 16, 32, 64, 128, 256, 512 Мб

1. EDO SD RAM (Synchronous DRAM) – синхронизируемая динамическая ОП)
   SD RAM (SINGLE DATA RATE RANDOM ACCESS MEMORY).ЗУПВ с одинарной скоростью передачи данных, которая в зависимости от тактовой частоты называется памятью PC100 и PC133. Микросхема на 168 контактов, является сегодня самой «медленной» из семейства DIMM-модулей памяти, Время доступа = 10-20 наносекунд. Верхний предел ее тактовой частоты 133 МГц. И все же этот тип ОП вполне подходит для большинства офисных и
   домашних ПК. Пропускная способность 1Гб/с.
   SPD – это небольшая микросхема, установленная в модуле памяти SD RAM DIMM и содержащая подробную информацию о типе установленной памяти и некоторые другие устройства. РС133 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory) самая быстрая из класса классической ОП. (были и РС66, РС100). Теперь это самый медленный тип ОЗУ. Физически представляет собой массив микроскопических конденсаторов, «упакованных» в микросхемы памяти. Логически каждый конденсатор есть не что иное, как элементарная однобитовая информационная ячейка с 2-мя состояниями: 0 – если конденсатор не заряжен, 1 – если заряжен. Эти ячейки объединяются в двумерную матрицу, где каждая ячейка адресуется номерами строки и столбца, на пересечении которых она находится. К микросхеме подводятся шины командная (передает команды, управляющие работой микросхем ОП), адресная (адреса строк и столбцов), и данных. Все три синхронизируются импульсами одной и той же частоты. (133). SDRAM – синхронная память и логика работы микросхем памяти этого типа жестко синхронизируется с тактовым сигналом. Например, контроллер памяти точно знает, в течение скольких тактов микросхемы памяти будут готовить запрошенные данные для передачи и на каком такте начнется собственно их передача. Сегодня данная микросхема встречается редко.
2. Rambus (RD RAM) Двухканальная ОП (микросхема фирмы Intel). Direct Rambus – это новая шина памяти, в которой управление адресацией отделено от работы с данными. Система состоит из контроллера Direct Rambus, подсоединенного к одному или нескольким модулям Direct Rambus DRAM, которые называются RIMM, в отличии от обычных микросхем памяти, соединяемых параллельно, RIMM соединяются последовательно. Канал Direct Rambus включает двунаправленную шину данных и шину адреса, т.е. адреса памяти передаются одновременно с данными. Каждая микросхема RDRAM может содержать до 32 независимых банков, SD RAM – от 2 до 8. Свободно работает на высоких тактовых частотах.
   Микросхема на 184 контакта Микросхемы ОП с тактовой частотой от 600 до 800 МГц. Когда используется микросхема PC800 (частота синхронизации 400 МГц), пропускная способность шины «память-процессор» достигает 3,2 Гб/с. При использовании PC600 (300 МГц) этот параметр = 2,6 Гб/с.
   В свободные гнезда памяти Rambus необходимо устанавливать заглушки Continuity Rimm (CRIMM). Без них система не станет работать, поскольку модули в обоих каналах Rambus включаются каскадно, то есть тактовые и управляющие сигналы проходят через разъемы Rimm последовательно. Емкость ОЗУ может быть до 3 Гб.
   Обеспечивают значительное быстродействие при выполнении сложных приложений на ПК и рабочих станциях. Вопрос о быстродействии ОП сегодня очень спорный.
3. DDR SDRAM (Double Data Rate) – двойная скорость передачи данных – это по сути модификации обычной SDRAM и отличается от нее тем, что в ней запись и чтение данных происходят и по переднему и по заднему фронту тактового импульса. Поэтому за один такт по шине передается вдвое больше данных, и ее эффективная частота оказывается вдвое больше физической.
   2х канальная память DDR266 DDR333 и DDR400 и системы с ней не уступают памяти RDRAM. ОП с удвоенной скоростью передачи данных, а иначе называется PC200 и PC266 в зависимости от тактовой частоты системной шины. Не столь дорогая, чем (3) и явно способствует повышению быстродействия ПК в отличие от (2). В основном благодаря использованию этой памяти ПК на базе Athlon 1,2 Ггц обошел на многих тестах 1,5 Ггц Р-IV с памятью RD RAM.
   Сегодня, пока, покупатель не может просто выбрать желательный для него тип ОП, так как она связана с интегральной схемой на системной плате, а та с ЦП. Так, пока, Р-IV работает с набором ИС- 850 компании Intel и дорогостоящей памятью RD RAM. (В середине 2001 года планируется появление микросхем, совместимых с устройствами SD RAM и DDR). Если вы хотите приобрести Р-IV, то автоматически будете вынуждены приобрести и дорогую ОП. Наборы интегральных схем семейства Athlon используют ОП SD RAM и DDR, но не могут RD RAM.

Модуль памяти Kingston DDR PC3200

В ПЗУ информация остаётся неизменной.
Запись в ПЗУ обычно осуществляется электрическим или механическим способом, в процессе изготовления материнской карты. Эти данные, как правило, не могут быть изменены, выполняемые не ПК
программы могут их только считывать В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

Часто ее называют ROM (Read Only Memory) – память только для чтения. В постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки ОС и выполнение базовых
функций по обслуживанию устройств ПК. Часто содержимое постоянной памяти называют BIOS(Basic Input Output System) – базовая система ввода/вывода.
BIOS – это система контроля и управления устройствами, подключёнными к ПК (жёсткий диск, ОП, часы, календарь). Это часть программного обеспечения ПК, поддерживающая управление адаптерами
внешних устройств, экранные операции, тестирование, начальную загрузку и установку OS. BIOS находится на материнской плате (отдельная микросхема с автономным питанием от батарейки в ПК).

На сегодняшних ПК BIOS можно перезаписывать.BIOS сегодня может сам определять новые устройства, подключённые к ПК (стандарт PnP — Plug-And-Play) включи и работай.
Управление устройствами осуществляется через механизм прерываний.

Прерывания могут быть:

• аппаратные (инициируются аппаратными средствами),
• логические (инициируются микропроцессором – нестандартные ситуации в работе микропроцессора),
• программные (инициируются каким-либо программным обеспечением).

При включении ПК автоматически загружается и выполняется спец.программа POST(Power-On Self-Test) из состава BIOS.

Эта программа производит самопроверку и тестирование при загрузке:

• проверка переключателей и CMOS-памяти на системной (материнской) плате (определение оборудования, которое подключено к ПК),
• тестирование ОЗУ,
• выполнение действий по загрузке OС (загрузка в ОЗУ и запуск Блока Начальной Загрузки OС),
• выполняет другие специфические действия по подготовке ПК и дополнительно-го оборудования к работе.

BIOS

Является своеобразной программной оболочкой вокруг аппаратных средств ПК (самого нижнего уровня), реализуя доступ к аппаратным средствам ПК через механизм прерываний.
CMOS-память – ПЗУ (с возможностью модификации), где содержится некоторая настроченная информация по конфигурации ДАННОГО ПК и некоторого дополнительного оборудования. Обладает низким электропотреблением. Питается от аккуммуляторной батарейки.
«Вход» в редактирование CMOS-памяти, как правило, по нажатию клавиши DELETE (DEL) (на клавиатуре) сразу после включения ПК в процессе работы POST-программы (загрузка программы Setup).

• системные часы,
• информация по результатам диагностики POST-программы,
• информация по наличию и типу FDD,
• информация по наличию и типу HDD,
• размер ОЗУ,
• наличие дополнительного оборудования.
  

Память - часть компьютера, где хранятся программы и данные. Можно также употреблять термин «запоминающее устройство». Без памяти, откуда процессоры считывают и куда записывают информацию, не было бы цифровых компьютеров со встроенными программами.

Основной единицей памяти является двоичный разряд, который называется битом. Бит может содержать 0 или 1. Эта самая маленькая единица памяти. (Устройство, в котором хранятся только нули, вряд ли могло быть основой памяти. Необходимы по крайней мере две величины.) Многие полагают, что в компьютерах используется бинарная арифметика, потому что это «эффективно». Они имеют в виду (хотя сами это редко осознают),

что цифровая информация может храниться благодаря различию между разными величинами какой-либо физической характеристики, например напряжения или тока. Чем больше величин, которые нужно различать, тем меньше различий между смежными величинами и тем менее надежна память. Двоичная система требует различения всего двух величин, следовательно, это самый надежный метод кодирования цифровой информации. Если вы не знакомы с двоичной системой счисления, смотрите Приложение А.

Считается, что некоторые компьютеры, например большие IBM, используют и десятичную, и двоичную арифметику. На самом деле здесь применяется так называемый двоично-десятичный код. Для хранения одного десятичного разряда используется 4 бита. Эти 4 бита дают 16 комбинаций для размещения 10 различных значений (от 0 до 9). При этом 6 оставшихся комбинаций не используются. Ниже показано число 1944 в двоично-десятичной и чисто двоичной системах счисления; в обоих случаях используется 16 битов:

десятичное: 0001 10010100 0100 двоичное: 0000011110011000

16 битов в двоично-десятичном формате могут хранить числа от 0 до 9999, то есть всего 10000 различных комбинаций, а 16 битов в двоичном формате - 65536 комбинаций. Именно по этой причине говорят, что двоичная система эффективнее.

Однако представим, что могло бы произойти, если бы какой-нибудь гениаль-

ный молодой инженер придумал очень надежное электронное устройство, которое могло бы хранить разряды от 0 до 9, разделив участок напряжения от 0 до 10 В на 10 интервалов. Четыре таких устройства могли бы хранить десятичное число от 0 до 9999, то есть 10 000 комбинаций. А если бы те же устройства использовались для хранения двоичных чисел, они могли бы содержать всего 16 комбинаций. Естественно, в этом случае десятичная система была бы более эффективной.

1.2.Адреса памяти

Память состоит из ячеек, каждая из которых может хранить некоторую порцию информации. Каждая ячейка имеет номер, который называется адресом, По адресу программы могут ссылаться на определенную ячейку. Если память содержит п ячеек, они будут иметь адреса от 0 до п-1. Все ячейки памяти содержат одинаковое число битов. Если ячейка состоит из к битов, она может содержать любую из 2к комбинаций. На рис. 2.8 показаны 3 различных способа организации 96-битной памяти. Отметим, что соседние ячейки по определению имеют последовательные адреса.

В компьютерах, где используется двоичная система счисления (включая восьмеричное и шестнадцатеричное представление двоичных чисел), адреса памяти также выражаются в двоичных числах. Если адрес состоит из m битов, максимальное число адресованных ячеек будет составлять 2П|. Например, адрес для обращения к памяти, изображенной на рис. 2.8, а, должен состоять, по крайней мере, из 4 битов, чтобы выражать все числа от 0 до 11. При устройстве памяти, показанном на рис. 2.8, 6 и 2.8, в, достаточно 3-битного адреса. Число битов в адресе определяет максимальное количество адресованных ячеек памяти и не зависит от числа битов в ячейке. 12-битные адреса нужны и памяти с 212 ячеек по 8 битов каждая, и памяти с 212 ячеек по 64 бита каждая.

В табл. 2.1 показано число битов в ячейке для некоторых коммерческих компьютеров.

Ячейка - минимальная единица, к которой можно обращаться, В последние

годы практически все производители выпускают компьютеры с 8-битными ячейками, которые называются байтами, Байты группируются в слова. Компьютер с 32-битными словами имеет 4 байта на каждое слово, а компьютер с 64-битными словами - 8 байтов на каждое слово. Такая единица, как слово, необходима, поскольку большинство команд производят операции над целыми словами (например, складывают два слова). Таким образом, 32-битная машина будет содержать 32-битные регистры и команды для манипуляций с 32-битными словами, тогда как 64-битная машина будет иметь 64-битные регистры и команды для перемещения, сложения, вычитания и других операций над 64-битными словами.

1.3.Упорядочение байтов

Байты в слове могут нумероваться слева направо или справа налево. На первый взгляд может показаться, что между этими двумя вариантами нет разницы, но мы скоро увидим, что выбор имеет большое значение. На рис. 2.9, а изображена часть памяти 32-битного компьютера, в котором байты пронумерованы слева направо (как у компьютеров SPARC или больших IBM). Рисунок 2.9,6 показывает аналогичную репрезентацию 32-битного компьютера с нумерацией байтов справа налево (как у компьютеров Intel).

Важно понимать, что в обеих системах 32-битное целое число (например, 6)

представлено битами 110 в трех крайних правых битах слова, а остальные 29 битов представлены нулями. Если байты нумеруются слева направо, биты 110 находятся в байте 3 (или 7, или 11 и т. д.). Если байты нумеруются справа налево, биты 110 находятся в байте 0 (или 4, или 8 и т. д.). В обоих случаях слово, содержащее это целое число, имеет адрес 0.

Если компьютеры содержат только целые числа, никаких сложностей не возникает. Однако многие прикладные задачи требуют использования не только целых чисел, но и цепочек символов и других типов данных. Рассмотрим, например, простую запись данных персонала, состоящую из цепочки символов (имя сотрудника) и двух целых чисел (возраст и номер отдела). Цепочка символов завершается одним или несколькими байтами 0, чтобы заполнить слово. На рис. 2.10, а представлена схема с нумерацией байтов слева направо, а на рис. 2.10, б - с нумерацией байтов

справа налево для записи «Jim Smith, 21 год, отдел 260» (1x256+4=260).

Оба эти представления хороши и внутренне последовательны. Проблемы начинаются тогда, когда один из компьютеров пытается переслать эту запись на Другой компьютер по сети. Предположим, что машина с нумерацией байтов слева направо пересылает запись на компьютер с нумерацией байтов справа налево по одному байту, начиная с байта 0 и заканчивая байтом 19. Для простоты будем считать, что биты, не инвертируются при передаче. Таким образом, байт 0 переносится из первой машины на вторую в байт 0 и т. д., как показано на рис. 2.10, в.

Компьютер, получивший запись, имя печатает правильно, но возраст получа-

ется 21х224, и номер отдела тоже искажается. Такая ситуация возникает, поскольку при передаче записи порядок букв в слове меняется так, как нужно, но при этом порядок байтов целых чисел тоже изменяется, что приводит к неверному результату.

Очевидное решение этой проблемы - наличие программного обеспечения, которое инвертировало бы байты в слове после того, как сделана копия. Результат такой операции изображен на рис. 2.10, г. Мы видим, что числа стали правильными, но цепочка символов превратилась в «MIJTIMS», при этом «Н» вообще поместилась отдельно. Цепочка переворачивается потому, что компьютер сначала считывает байт 0 (пробел), затем байт 1 (М) и т. д.

Простого решения не существует. Есть один способ, но он неэффективен. (Нужно перед каждой единицей данных помещать заголовок, информирующий, какой тип данных последует за ним - цепочка, целое число и т. д. Это позволит компьютеру-получателю производить только необходимые преобразования.) Ясно, что отсутствие стандарта упорядочивания байтов является главным неудобством при обмене информацией между разными машинами.

1.4.Код с исправлением ошибок

Память компьютера время от времени может делать ошибки из-за всплесков напряжения на линии электропередачи и по другим причинам. Чтобы бороться с такими ошибками, используются коды с обнаружением и исправлением ошибок. При этом к каждому слову в памяти особым образом добавляются дополнительные биты. Когда слово считывается из памяти, эти биты проверяются на наличие ошибок. Чтобы понять, как обращаться с ошибками, необходимо внимательно изучить, что представляют собой эти ошибки. Предположим, что слово состоит из m битов данных, к которым мы прибавляем г дополнительных битов (контрольных разрядов).

Пусть общая длина слова будет п (то есть п=т+г). n-битную единицу, содержащую m битов данных и г контрольных разрядов, часто называют кодированным словом. Для любых двух кодированных слов, например 10001001 и 10110001, можно определить, сколько соответствующих битов в них различается. В данном примере таких бита три. Чтобы определить количество различающихся битов, нужно над двумя кодированными словами произвести логическую операцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и сосчитать число битов со значением 1 в полученном результате. Число битовых позиций, по которым различаются два слова, называется интервалом Хэмминга. Если интервал Хэмминга для двух слов равен d, это значит, что достаточно d битовых ошибок, чтобы превратить одно слово в другое. Например, интервал Хэмминга кодированных слов 11110001 и 00110000 равен 3, поскольку для превращения первого слова во второе достаточно 3 ошибок в битах.

Память состоит из m-битных слов, и следовательно, существует 2т вариантов

сочетания битов. Кодированные слова состоят из п битов, но из-за способа подсчета контрольных разрядов допустимы только 2Ш из 2" кодированных слов. Если в памяти обнаруживается недопустимое кодированное слово, компьютер знает, что произошла ошибка. При наличии алгоритма для подсчета контрольных разрядов можно составить полный список допустимых кодированных слов и из этого списка найти два слова, для которых интервал Хэмминга будет минимальным. Это интервал Хэмминга полного кода.

Свойства проверки и исправления ошибок определенного кода зависят от его

интервала Хэмминга. Чтобы обнаружить d ошибок в битах, необходим код с интервалом d+1, поскольку d ошибок не могут изменить одно допустимое кодированное слово на другое допустимое кодированное слово Соответственно, чтобы исправить d ошибок в битах, необходим код с интервалом 2d+l, поскольку в этом случае допустимые кодированные слова так сильно отличаются друг от друга, что даже если произойдет d изменений, изначальное кодированное слово будет ближе к ошибочному, чем любое другое кодированное слово, поэтому его без труда можно будет определить.

В качестве простого примера кода с обнаружением ошибок рассмотрим код, в котором к данным присоединяется один бит четности. Бит четности выбирается таким образом, что число битов со значением 1 в кодированном слове четное (или нечетное). Интервал этого кода равен 2, поскольку любая ошибка в битах приводит к кодированному слову с неправильной четностью. Другими словами, достаточно двух ошибок в битах для перехода от одного допустимого кодированного слова к другому допустимому слову. Такой код может использоваться для обнаружения одиночных ошибок. Если из памяти считывается слово, содержащее неверную четность, поступает сигнал об ошибке. Программа не сможет продолжаться, но зато не будет неверных результатов. В качестве простого примера кода с исправлением ошибок рассмотрим код с четырьмя допустимыми кодированными словами:

0000000000,0000011111, ШИОООООи 1111111111

Интервал этого кода равен 5. Это значит, что он может исправлять двойные

ошибки. Если появляется кодированное слово 0000000111, компьютер знает, что изначальное слово должно быть 0000011111 (если произошло не более двух ошибок). При наличии трех ошибок, если, например, слово 0000000000 изменилось на 0000000111, этот метод недопустим.

Представим, что мы хотим разработать код с m битами данных и г контрольных разрядов, который позволил бы исправлять все ошибки в битах. Каждое из 2т допустимых слов имеет п недопустимых кодированных слов, которые отличаются от допустимого одним битом. Они образуются инвертированием каждого из п битов в n-битном кодированном слове. Следовательно, каждое из 2т допустимых слов требует п+1 возможных сочетаний битов, приписываемых этому слову (п возможных ошибочных вариантов и один правильный). Поскольку общее число различных сочетаний битов равно 2П, то (п+1)2га<2п. Так как n-ш+г, следовательно,

(т+г+ 1)<2Г. Эта формула дает нижний предел числа контрольных разрядов, необходимых для исправления одиночных ошибок. В табл 2.2 показано необходимое количество контрольных разрядов для слов разного размера.

Этого теоретического нижнего предела можно достичь, используя метод Ричарда Хэмминга. Но прежде чем обратиться к этому алгоритму, давайте рассмотрим простую графическую схему, которая четко иллюстрирует идею кода с исправлением ошибок для 4-битных слов. Диаграмма Венна на рис. 2.11 содержит 3 круга, А, В и С, которые вместе образуют семь секторов. Давайте закодируем в качестве примера слово из 4 битов 1100 в сектора АВ, ABC, AC и ВС, по одному биту в каждом секторе (в алфавитном порядке). Кодирование показано на рис. 2.11, а.

Далее мы добавим бит четности к каждому из трех пустых секторов, чтобы получилась положительная четность, как показано на рис. 2.11, б. По определению сумма битов в каждом из трех кругов, А, В, и С, должна быть четной. В круге А находится 4 числа: 0, 0, 1 и 1, которые в сумме дают четное число 2. В круге В находятся числа 1, 1, 0 и 0, которые также при сложении дают четное число 2. То же имеет силу и для круга С. В данном примере получилось так, что все суммы одинаковы, но вообще возможны случаи с суммами 0 и 4. Рисунок соответствует кодированному слову, состоящему из 4 битов данных и 3 битов четности. Предположим, что бит в секторе АС изменился с 0 на 1, как показано на рис. 2.11, в. Компьютер видит, что круги А и С имеют отрицательную четность. Единственный способ исправить ошибку, изменив только один бит, -возвраще-

ние биту АС значения 0. Таким способом компьютер может исправлять одиночные ошибки автоматически.

А теперь посмотрим, как может использоваться алгоритм Хэмминга при создании кодов с исправлением ошибок для слов любого размера. В коде Хэмминга к слову, состоящему из m битов, добавляется г битов четности, при этом образуется слово длиной т+г битов. Биты нумеруются с единицы (а не с нуля), причем первым считается крайний левый. Все биты, номера которых - степени двойки, являются битами четности; остальные используются для данных. Например, к 16-битному слову нужно добавить 5 битов четности. Биты с номерами 1, 2, 4, 8 и 16 - биты четности, а все остальные - биты данных. Всего слово содержит 21 бит (16 битов данных и 5 битов четности). В рассматриваемом примере мы будем использовать

положительную четность (выбор произвольный). Каждый бит четности проверяет определенные битовые позиции. Общее число битов со значением 1 в проверяемых позициях должно быть четным. Ниже указаны позиции проверки для каждого бита четности:

Бит 1 проверяет биты 1, 3, 5,7, 9,11, 13,15,17,19, 21.

Бит 2 проверяет биты 2, 3, 6, 7,10,11,14,15,18,19.

Бит 4 проверяет биты 4, 5,6, 7,12,13,14,15, 20, 21.

Бит 8 проверяет биты 8,9,10, И, 12,13,14, 15.

Бит 16 проверяет биты 16,17,18,19, 20, 21.

В общем случае бит b проверяется битамиЪи Ь2,..., bJt такими что bi+b2+... +b,=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.

На рис. 2.12 показано построение кода Хэмминга для 16-битного слова

1111000010101110 Соответствующим 21-битным кодированным словом является 001011100000101101110. Чтобы увидеть, как происходит исправление ошибок, рассмотрим, что произойдет, если бит 5 изменит значение из-за резкого скачка напряжения на линии электропередачи. В результате вместо кодированного слова 001011100000101101110 получится 001001100000101101 ПО. Будут проверены 5 битов четности.

Вот результаты проверки:

Бит четности 1 неправильный (биты 1, 3, 5, 7,9, 11, 13, 15, 17, 19, 21 содержат

пять единиц).

Бит четности 2 правильный (биты 2, 3, 6,7,10,11,14,15,18,19 содержат шесть

Бит четности 4 неправильный (биты 4,5,6,7,12,13,14,15,20,21 содержат пять

Бит четности 8 правильный (биты 8,9,10,11,12,13,14,15 содержат две единицы).

Битчетности 16 правильный (биты 16,17,18,19,20,21 содержат четыре единицы).

Общее число единиц в битах 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 и 21 должно быть

четным, поскольку в данном случае используется положительная четность. Неправильным должен быть один из битов, проверяемых битом четности 1 (а именно 1,3,5,7,9,11,13,15,17,19 и 21). Бит четности 4 тоже неправильный. Это значит, чтоизменил значение один из следующих битов: 4,5,6,7,12,13,14,15,20,21. Ошибка должна быть в бите, который содержится в обоих списках. В данном случае общими являются биты 5,7,13,15 и 21. Поскольку бит четности 2 правильный, биты 7 и 15 исключаются. Правильность бита четности 8 исключает наличие ошибки в бите 13.

Наконец, бит 21 также исключается, поскольку бит четности 16 правильный. В итоге остается бит 5, в котором и содержится ошибка. Поскольку этот бит имеет значение 1, он должен принять значение 0. Именно таким образом исправляются ошибки.

Чтобы найти неправильный бит, сначала нужно подсчитать все биты четности. Если они правильные, ошибки нет (или есть, но больше одной). Если обнаружились неправильные биты четности, то нужно сложить их номера. Сумма, полученная в результате, даст номер позиции неправильного бита. Например, если биты четности 1 и 4 неправильные, а 2,8 и 16 правильные, то ошибка произошла в бите 5 (1+4).

2.Кэш-память

Процессоры всегда работали быстрее, чем память. Процессоры и память совершенствовались параллельно, поэтому это несоответствие сохранялось. Поскольку на микросхему можно помещать все больше и больше транзисторов, разработчики процессоров использовали эти преимущества для создания конвейеров и суперскалярной архитектуры, что еще больше повышало скорость работы процессоров. Разработчики памяти обычно использовали новые технологии для увеличения емкости, а не скорости, что еще больше усугубляло проблему. На практике такое несоответствие в скорости работы приводит к следующему: после того как процессор дает запрос памяти, должно пройти много циклов, прежде чем он получит слово,

которое ему нужно. Чем медленнее работает память, тем дольше процессору приходится ждать, тем больше циклов должно пройти.

Как мы уже говорили выше, есть два пути решения этой проблемы. Самый простой из них - начать считывать информацию из памяти, когда это необходимо, и при этом продолжать выполнение команд, но если какая-либо команда попытается использовать слово до того, как оно считалось из памяти, процессор должен приостанавливать работу. Чем медленнее работает память, тем чаще будет возникать такая проблема и тем больше будет проигрыш в работе. Например, если отсрочка составляет 10 циклов, весьма вероятно, что одна из 10 следующих команд попытается использовать слово, которое еще не считалось из памяти.

Другое решение проблемы - сконструировать машину, которая не приостанавливает работу, но следит, чтобы программы-компиляторы не использовали слова до того, как они считаются из памяти. Однако это не так просто осуществить на практике. Часто при выполнении команды загрузки машина не может выполнять другие действия, поэтому компилятор вынужден вставлять пустые команды, которые не производят никаких операций, но при этом занимают место в памяти. В действительности при таком подходе простаивает не аппаратное, а программное обеспечение, но снижение производительности при этом такое же. На самом деле эта проблема не технологическая, а экономическая. Инженеры знают, как построить память, которая будет работать так же быстро, как и процессор, но при этом ее приходится помещать прямо на микросхему процессора (поскольку информация через шину поступает очень медленно). Установка большой памяти на микросхему процессора делает его больше и, следовательно, дороже, и даже если бы стоимость не имела значения, все равно существуют ограничения в размерах процессора, который можно сконструировать. Таким образом, приходится выбирать между быстрой памятью небольшого размера и медленной памятью большого размера. Мы бы предпочли память большого размера с высокой скоростью работы по низкой цене. Интересно отметить, что существуют технологии сочетания маленькой и быстрой памяти с большой и медленной, что позволяет получить и высокую скорость работы, и большую емкость по разумной цене. Маленькая память с высокой скоростью работы называется кэш-памятью (от французского слова cacher «прятать»1;читается «кэш»). Ниже мы кратко опишем, как используется кэш-память и как она работает. Более подробное описание см. в главе 4. Основная идея кэш-памяти проста: 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. Если значительная часть слов находится в кэш-памяти, среднее время доступа значительно сокращается. Таким образом, успех или неудача зависит от того, какая часть слов находится в кэш-памяти. Давно известно, что программы не обращаются к памяти наугад. Если программе нужен доступ к адресу А, то скорее всего после этого ей понадобится доступ к адресу, расположенному поблизости от А. Практически все команды обычной программы (за исключением команд перехода и вызова процедур) вызываются из последовательных участков памяти. Кроме того, большую часть времени программа тратит на циклы, когда ограниченный набор команд выполняется снова и снова. Точно так же при манипулировании матрицами программа, скорее всего, будет обращаться много раз к одной и той же матрице, прежде чем перейдет к чему-либо другому. То, что при последовательных отсылках к памяти в течение некоторого промежутка времени используется только небольшой ее участок, называется принципом локальности. Этот принцип составляет основу всех систем кэш-памяти. Идея состоит в следующем: 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. Общее устройство процессора, кэш-памяти и основной памяти показано на рис. 2.13. Если слово считывается или записывается к раз, компьютеру понадобится сделать 1 обращение к медленной основной памяти и к-1 обращений к быстрой кэш-памяти. Чем больше к, тем выше общая производительность.

Мы можем сделать более строгие вычисления. Пусть с - время доступа к кэш-памяти, m - время доступа к основной памяти и h - коэффициент совпадения, который показывает соотношение числа ссылок к кэш-памяти и общего числа всех ссылок. В нашем примере h=(k~l)/k. Таким образом, мы можем вычислить среднее время доступа:

среднее время доступа =с+(1 -h)m.

Если h-И и все обращения делаются только к кэш-памяти, то время доступа стремится к с. С другой стороны, если h-»0 и каждый раз нужно обращаться к основной памяти, то время доступа стремится к с+ш: сначала требуется время с для проверки кэш-памяти (в данном случае безуспешной), а затем время m для обращения к основной памяти. В некоторых системах обращение к основной памятиможет начинаться параллельно с исследованием кэш-памяти, чтобы в случае неудачного поиска цикл обращения к основной памяти уже начался. Однако эта стратегия требует способности останавливать процесс обращения к основной памяти в случае результативного обращения к кэш-памяти, что делает разработку такого компьютера более сложной. Основная память и кэш-память делятся на блоки фиксированного размера с учетом принципа локальности. Блоки внутри кэш-памяти обычно называют строками кэш-памяти (cache lines). Если обращение к кэш-памяти нерезультативно, из основной памяти в кэш-память загружается вся строка, а не только необходимое слово. Например, если строка состоит из 64 байтов, обращение к адресу 260 повлечет за собой загрузку в кэш-память всей строки, то есть с 256-го по 319-й байт.

Возможно, через некоторое время понадобятся другие слова из этой строки. Такой путь обращения к памяти более эффективен, чем вызов каждого слова по отдельности, потому что вызвать к слов 1 раз можно гораздо быстрее, чем 1 слово к раз. Если входные сообщения кэш-памяти содержат более одного слова, это значит, что будет меньше таких входных сообщений и, следовательно, меньше непроизводительных затрат.

Разработка кэш-памяти очень важна для процессоров с высокой производительностью.

Первый вопрос - размер кэш-памяти. Чем больше размер, тем лучше работает память, но тем дороже она стоит.

Второй вопрос - размер строки кэш-памяти. Кэш-память объемом 16 Кбайт можно разделить на 1К строк по 16 байтов, 2К строк по 8 байтов и т. д. Третий вопрос - как устроена кэш-память, то есть, как она определяет, какие именно слова содержатся в ней в данный момент. Устройство кэш-памяти мы рассмотрим подробно в главе 4.

Четвертый вопрос - должны ли команды и данные находиться вместе в общей кэш-памяти. Проще разработать смежную кэш-память, в которой хранятся и данные, и команды. При этом вызов команд и данных автоматически уравновешивается. Тем не менее, в настоящее время существует тенденция к использованию разделенной кэш-памяти, когда команды хранятся в одной кэш-памяти, а данные - в другой. Такая структура также называется Гарвардской (Harvard Architecture), поскольку идея использования отдельной памяти для команд и отдельной памяти для данных впервые воплотилась в компьютере Маге III, который был создай Говардом Айкеном в Гарварде. Современные разработчики пошли по этому пути, поскольку сейчас широко используются процессоры с конвейерами, а при такой организации должна быть возможность одновременного доступа и к командам, и к данным (операндам). Разделенная кэш-память позволяет осуществлять параллельный доступ, а общая - нет. К тому же, поскольку команды обычно не меняются во время выполнения, содержание командной кэш-памяти никогда не приходится записывать обратно в основную память.

Наконец, пятый вопрос - 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.

Архитектура компьютера

Основные элементы компьютера.

Компьютер состоит из 4-х структурных компонентов:

1) Процессор.

Осуществляет контроль за действиями компьютера, а также выполняет функции обработки данных. Если в системе есть только один процессор, он часто называется центральным процессором (CPU – central processing unit)

2) Основная память.

Здесь хранятся данные и программы. Эта память является временной. Часто её называют реальной или оперативной памятью.

3) Устройства ввода-вывода.

Служат для передачи данных между компьютером и внешним окружением, состоящим из различных периферийных устройств, в число которых входит вторичная память, коммуникационное оборудование и терминалы.

4) Системная шина. Определённые структуры и механизмы, обеспечивающие взаимодействие между процессором, основной памятью и устройствами ввода-вывода.

Основная память

PC – программный счетчик

IR – регистр команд

MAR – регистр адреса памяти

MBR – регистр буфера памяти

I/O AR – регистр адреса ввода-вывода

I/O BR – регистр буфера ввода-вывода

Рисунок 1. Компоненты компьютера: общая структура.

Одной из функций процессора является обмен данными с памятью. Для этого он обычно использует два внутренних (по отношению к процессору) регистра: регистр адреса памяти (memory address register – MAR), куда заносится адрес ячейки памяти, в которой будет производиться операция чтения – записи, и регистр буфера памяти (memory buffers register – MBR), куда заносятся данные, предназначенные для записи в память, или те, которые были прочитаны из неё. Аналогично, номер устройства ввода-вывода задается в регистре адреса ввода-вывода (I/O address register – I/O AR). Регистр буфера ввода-вывода (I/O buffer register – I/O BR) служит для обмена данными между устройством ввода-вывода и процессором.

Модуль памяти состоит из множества пронумерованных ячеек. В каждую ячейку может быть записано двоичное число, которое интерпретируется либо как команда, либо как данные. Модуль ввода-вывода служит для передачи данных от внешних устройств как в процессор и память, так и в обратном направлении. Для временного хранения данных в нем есть свои внутренние буферы.

Регистры процессора

В процессоре имеется набор регистров, представляющих собой область памяти быстрого доступа, но намного меньшей емкости, чем основная память.

Регистры процессора (выполняют две функции) делятся на 2 группы:

Регистры, доступные пользователю. Эти регистры позволяют программисту сократить число обращений к основной памяти, оптимизируя использование регистров с помощью машинного языка или ассемблера.

Регистры управления и регистры состояния. Используются в процессоре для контроля над выполняемыми операциями; с их помощью привилегированные программы операционной системы могут контролировать ход выполнения других программ.

Регистры, доступные пользователю:

Регистры данных. Могут использоваться любой машинной командой для операций с данными. Часто при этом накладываются определённые ограничения. Например, некоторые регистры предназначены для операций над числами с плавающей точкой, в то время как остальные – для хранения целых чисел.

Адресные регистры. В них заносятся адреса команд и данных в основной памяти; в этих регистрах может быть записана только часть адреса, использующаяся при вычислении полного или эффективного адреса.

Управляющие регистры и регистры состояния.

Для контроля над работой процессора используются различные регистры. В большинстве машин эти регистры в основном недоступны пользователю.

Кроме упомянутых регистров MAR, MBR, I/O AR, I/O BR, важными для выполнения команд, являются следующие:

Программный счетчик (program counter – PC). Содержит адрес команды, которая должна быть выбрана из памяти.

Регистр команд (instruction register – IR). Содержит последнюю выбранную из памяти команду.

В состав всех процессоров входит также регистр, известный под названием регистра слова состояния программы (program status word – PSW). В нем, как правило, содержатся коды условий и другая информация о состоянии, например, бит разрешения/запрещения прерываний или бит режима системный/пользовательский.

Коды условий (известные как флаги) – это последовательность битов, устанавливаемых или сбрасываемых процессором в зависимости от результата выполненных операций. Например, в результате выполнения арифметического действия может получиться положительное число, отрицательное, ноль, или может произойти переполнение.