Организациястековых(магазинных)запоминающихустройств

ЗУ со стековой организацией широко используется при построении системы прерываний ЭВМ, а также при программировании алгоритмов, связанных с обработкой данных типа вектор, массив (переменных с индексами). Стековые ЗУ обеспечивают запись, чтение информации в соответствии с правилом: последним пришёл, первым вышел (LIFO). В них при обращении доступна только одна ячейка – т.н. вершина стека. При записи в стек слово сначала записывается в вершину стека, а затем проталкивается внутрь ЗУ и т.д. при записи очередных слов. При выполнении операции чтения слово сначала выталкивается в вершину стека, а затем подаётся на выходную шину ЗУ.

Технически такая память может быть реализована на основе сдвиговых регистров в количестве n – штук: количество сдвиговых регистров определяется разрядностью ячеек – n. Разрядность регистров сдвига определяется ёмкостью стека. Такая организация стека называется магазиннойпамятью(рис. 14). Одна из основных проблем магазинных ЗУ – переполнение стека, которое ведёт к потере информации, поэтому не допустимо. Следить за возможным переполнением должен сам программист.

Рис. 14. СтруктурамагазинныхЗУ

Недостаток ЗУ магазинного типа – большие затраты оборудования и, следовательно, высокая удельная стоимость: сдвиговые регистры сложнее обычных.

СтековыеЗУ по этой причине (с целью экономии оборудования) обычно организуются другим способом: вместо сдвига информации в них используется подвижный указатель вершины стека (УС). Структура стекового ЗУ представлена на рис.15. Операция записи осуществляется по сигналу ЗП: 1) ЗП: [УС]: =ВХ; 2) УС: =УС+1, т.е. сначала производится запись слова в вершину стека (в ячейку, на которую указывает УС), а затем УС инкрементируется. Операция чтения реализуется по сигналу чтения ЧТ: 1) УС: =УС-1; 2) ВЫХ: = [УС].

Рис. 15.

Технически УС реализуется на основе реверсивного счетчика. Следует отметить, что запоминающая часть стековых ЗУ обычно располагается в адресном пространстве ОП:

часть ячеек ОП отводится под стек.

8. Организацияпамятивторогоуровня ( основнойоперативнойпамяти )

Основная память ЭВМ обычно организуется (строится) на основе микросхем памяти динамического типа (БИС ОЗУ типа DRAM), время обращения к которым в 3…5 раз больше, чем к ОЗУ статического типа (SRAM). Следует отметить, что часть ОП строится на базе БИС ПЗУ. Обычно для этих целей используются перепрограммируемые (репрограммируемые) микросхемы (БИС ППЗУ) с ультрафиолетовым или электрическим стиранием старой информации.

Основной особенностью динамических ОЗУ является разрушение информации при чтении и, следовательно, необходимость ее регенерации, что увеличивает время обращения при чтении и, следовательно, уменьшает быстродействие памяти. Кроме того, ячейка динамической памяти на может долго хранить информацию: в случае, когда достаточно долго не было обращений к ячейкам, также требуется регенерация, которая повторяется периодически. Для реализации процессов регенерации динамической памяти требуются дополнительные затраты оборудования на реализацию контроллеров регенерации.

Однако основной особенностью ОП является её многоблочная организация. Связано это с тем, что ёмкость отдельных БИС ЗУ ограничена, поэтому для построения ОП необходимого объёма приходится использовать несколько ЗУ, организованных в единое целое.

Определение. ООП ЭВМ – это совокупность ЗУ, охваченных общей схемой управления.

Почему ОП строится по многоблочной схеме? По двум причинам: технической и экономической.

Технические причины: ёмкость ОП при многоблочной организации можно наращивать практически неограниченно без дополнительного проектирования БИС и без уменьшения быстродействия, т.к. время обращения к многоблочной памяти будет практически таким же, как и время обращения к отдельным её блокам.

Экономическая причина: из однотипных блоков ЗУ, выпускаемых серийно, можно строить память необходимой ёмкости, стоимости и быстродействия. В противном случае необходимо было бы выпускать целую гамму ЗУ различных типов и размеров. При этом стоимость ОП будет выше, чем для случая однотипных блоков.

Простейшая структура многоблочной памяти представлена на рис. 16.

Здесь

E_оп=2^m_, E_бл=2^k. Количество блоков 2^l, m=k+l.

Формат адреса: 1 m

Выбор блока обеспечивается дешифратором DСВ.

Рис. 16. Структурамногоблочнойпамяти

Z – сигнал занятости памяти (блока ЗУ).

 0− свободен (готов обслуживать запрос на обращение)

Z =  

 1− занят (не готов обслуживать) 

Функционирование многоблочной памяти осуществляется следующим образом.

Интерфейс многоблочной памяти: ШД, ША, ШУ, Z.

Z – осведомительный сигнал занятости - используется для организации асинхронной работы ЦП и ОП.

Таким образом, многоблочная память рассматривается как единое целое емкостью E = N*Е_бл и быстродействием, которое определяется временем обращения: τ обр =τ DCB +τ обрбл

Это время постоянно и не зависит от количества блоков N, т. е. не зависит от емкости ОП. Емкость можно наращивать без уменьшения быстродействия.

Следует отметить, что в каждый момент времени эта схема обеспечивает обслуживание только одного обращения, т. к. одновременно в ней может быть выбран только один из блоков. Поскольку в каждом блоке есть свой автономный блок управления (с дешифратором адреса), то потенциально многоблочная память могла бы обслуживать N обращений одновременно – за один цикл обращения – при условии, естественно, что каждый блок будет обслуживать свое обращение. В этом случае быстродействие многоблочной памяти может возрасти в N раз.

Как организовать такую память? Путем расслоения обращений. Суть - обслуживание обращений к ОП организуется таким образом, чтобы очередное по времени обращение к ней обслуживалось другим (свободным) блоком: первое обращение – i-м блоком, второе – j-м блоком, третье – k-м блоком и т. д. Необходимым условием такой организации является наличие в каждом блоке ЗУ двух буферных регистров – адреса РА и данных РД. Интерфейс памяти с расслоением обращений, конечно, будет сложнее, чем в простейшей структуре (с одной шиной адреса и одной шиной данных), т. е. он должен обеспечивать одновременный обмен с несколькими устройствами: многоблочная память с расслоением обращений выглядит как многопортовая память (двух, трех и т. д. портовая память).

Какие предпосылки для расслоения обращений? При обращении к ОП каждый из источников (ЦП, канал) обычно, т. е. чаще всего, обращается к ОП по соседним адресам: а, а+1, …, а+δ _а. Если ячейки а, а+1, …, а+δ _а располагаются в одном блоке, то расслоение обращений становится невозможным. Как быть? Поменять местами поля В и D в формате адреса А:

1 D k

т. е. младшие разряды адреса необходимо использовать в качестве номера блока многоблочной памяти. Такой способ расслоения обращений принято называть расслоениемадресов (по блокам).

Таким образом, многоблочная память с расслоением обращений обеспечивает одновременное обслуживание нескольких обращений (в пределе – N обращений), другими словами она обеспечивает большую ширину выборки: в пределе nN (вместо n) разрядов.

Понятие «ширина выборки» относится к линейной организации памяти. Однако в общем случае можно говорить об организации памяти, позволяющей хранить сложные (не линейные) структуры данных: массивы (одномерные – векторы, двумерные – матрицы и т. д.), а также структуры типа дерево. В этом случае вместо понятия «ширина выборки» следует говорить о единице обмена с ОП, для которой задается объем Е и формат F выборки (E, F). Например, можно говорить об одновременной выборке вектора a₁ a₂ … a_k (E=k, F – вектор) или об одновременной выборке элемента дерева – объем Е – количество ветвей дерева, формат F – дерево.

9. Организацияпамятитретьегоуровня ( внешнейпамяти )

Внешняя память ЭВМ – это сложная дисковая (обычно) система, работающая под управлением операционной системы.

Внешняя память строится на основе ВЗУ различных типов: НМД, НМЛ, НОД и др. Особенности ВЗУ: это ЗУ очень большой емкости, невысокого быстродействия и низкой удельной стоимости хранения информации. Пример: октябрь 99г. 1$ - 25 руб. ОЗУ типа SDRAM 32МВ – 2000руб. Удельная стоимость – 2000/32≅ 30 руб/МВ.

Жесткие диски: емкость 20 ГВ, стоимость 7120 руб., удельная стоимость 7120/20=356 руб/ГВ или 0, 000356 руб/МВ.

Простейшая структура внешней памяти (на основе единого интерфейса) представлена на рис. 17.

Рис. 17. СтруктуравнешнейпамятиАрхив

В состав ВЗУ входят:

1) носитель информации (съемный или стационарный);

2) привод – дисковод (для дисков), лентопротяжный механизм (ЛПМ) – для магнитных лент;

3) контроллер – блок управления накопителем.

Следует отметить, что НМД. НМЛ и др. обладают одним общим недостатком – движущимся носителем информации. Отсюда – низкое быстродействие (большое время доступа к информации) и низкая надежность. Поэтому на смену ЗУ с подвижными носителями информации должны прийти ЗУ с неподвижными носителями. Пример: ЗУ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) – природа хранения информации в них магнитная, однако носитель информации неподвижный, нет электромеханики.