24.1 Основная память вычислительных машин. . Проблема

24.1 Основная память вычислительных машин. . Проблема взаимодействия
процессора с основной памятью. Принцип организации кэш памяти
Основная память - это устройство для хранения информации. Она состоит из оперативного
запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
ОЗУ-быстрая, полупроводниковая, энергозависимая память. В ОЗУ хранятся исполняемая в данный
момент программа и данные, с которыми она непосредственно работает. Когда запускают какуюлибо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в оперативную память,
после чего процессор начинает выполнять команды, изложенные в этой программе. Часть ОЗУ,
называемая "видеопамять", содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране.
При отключении питания содержимое ОЗУ стирается. ОЗУ - это память, используемая как для
чтения, так и для записи информации. При отключении электропитания информация в ОЗУ
исчезает (энергозависимость).
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
ПЗУ- быстрая, энергонезависимая память. ПЗУ - это память, предназначенная только для чтения.
Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно
(при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой
постоянно необходимо в компьютере.
В ПЗУ находятся:
тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его
блоков;
программы для управления основными периферийными устройствами -дисководом, монитором,
клавиатурой;
информация о том, где на диске расположена операционная система.
Основная память состоит из регистров. Регистр - это устройство для временного запоминания
информации в оцифрованной (двоичной) форме. Запоминающим элементом в регистре является
триггер - устройство, которое может находиться в одном из двух состояний, одно из которых
соответствует запоминанию двоичного нуля, другое - запоминанию двоичной единицы. Триггер
представляет собой крошечный конденсатор-батарейку, которую можно заряжать множество раз.
Если такой конденсатор заряжен - он как бы запомнил значение "1", если заряд отсутствует значение "0". Регистр содержит несколько связанных друг с другом триггеров. Число триггеров в
регистре называется разрядностью компьютера.
2) Проблемы взаимодействия с основной памятью
Ввиду несоответствия интерфейсов памяти и процессора, для совместного взаимодействия им
необходим посредник - контроллер памяти. Контроллер памяти в значительной мере определяет
скорость обмена с памятью а, значит, и быстродействие всей системы в целом.
процессор запрашивает память и передает запрос контроллеру памяти. На это уходит время для
запроса по системной шине, если контроллер не встроен в процессор;
в течение следующего такта контроллер памяти вычисляет номер столбца и строки первой ячейки
цепочки и смотрит открыта соответствующая строка или нет?
если строка действительно открыта, то контроллер памяти выставляет сигнал и спустя некоторое
время на шине появляются данные;
контроллер памяти считывает их ;
еще некоторое время расходуется на передачу данных процессору;
если же требуемая строка закрыта, но максимально допустимое количество одновременно
открытых строк еще не достигнуто, контроллер посылает микросхеме памяти сигнал вместе с
адресом строки и дает время на прием и дешифрацию адреса строки, затем посылается и все
происходит по сценарию описанному выше;
в том случае, когда требуемая строка закрыта и открыто максимально допустимое количество
других строк, требуется еще какое-то время на закрытие строки.
Таким образом приходим к выводу, что производительность подсистемы процессор - память все
еще оставляет желать лучшего. Современные процессоры тратят на чтение произвольной ячейки
иногда около сотни тактов, выполняя в это же самое время более трех вычислительных
инструкций за такт, вот почему процессору просто необходима для согласования скоростей работы
системы процессор - оперативная память быстрая буферная (Кэш) память.
3)Принцип организации кэш-памяти
Так как кэш память по объему значительно меньше оперативной памяти, то нужно как-то эту
память отображать. Существуют 3 способа отображения:
1)прямое отображение
2)ассоциативное отображение
3)наборно-ассоциативное отображение(множественно-ассоциативное отображение)
По организации, кэш-память с прямым отображением является самым простым типом буферной
памяти. Физический адрес однозначно определяет строку кэш-памяти ,в которую будет помещен
блок информации из Оперативной памяти.(ОП разбита на блоки и каждому блоку в буферной кэшпамяти отводится всего одна строка).Преимущество данного отображения заключается в
необходимости одного признака сравнения.
Ассоциативная память-это память, элементы которой выбираются по некоторому признаку(тэг),
присвоенному данному элемента. При таком отображении блок памяти может быть отображен на
любую строку кэш-памяти. При таком подходе решается проблема конфликтов адресов, т.к.
каждая строка кэш-памяти будет отображать один блок оперативной памяти.
Наборно-ассоциативный вариант вбирает все лучшие из двух способов приведенных ранее. В нем
строки разбираются на группы, по две, четыре, восемь и т.д. строк (двухканальная,
четырёхканальная…). В одной группе могут находится строки с одинаковыми индексами , но имея
разные признаки(тэги.)
24.2 Графический режим работы видеосистемы. Операция записи процесса
в видеобуфер.
Прежде чем стать изображением на мониторе, двоичные цифровые данные обрабатываются
центральным процессором, затем через шину данных направляются в видеоадаптер.
Сначала данные в цифровом виде из шины попадают в видеопроцессор, где они начинают
обрабатываться. После этого обработанные цифровые данные направляются в видеопамять, где
создается образ изображения, которое должно быть выведено на дисплее.
Затем, все еще в цифровом формате, данные, образующие образ, передаются в RAMDAC, где они
конвертируются в аналоговый вид, после чего передаются в монитор, на котором выводится
требуемое изображение.
Рис.1. Схема вывода графического изображения на монитор.
Следования данных от центрального процессора системы до монитора.
1. Скорость обмен данными между CPU и графическим процессором напрямую зависит от
частоты, на которой работает шина, через которую передаются данные. Рабочая частота шины
зависит от чипсета материнской платы. Для видеоадаптеров оптимальными по скорости являются
шина PCI и AGP. Чем выше рабочая частота шины, тем быстрее данные от центрального
процессора системы дойдут до графического процессора видеоадаптера.
2. Ключевой момент, влияющий на производительность видеоподсистемы, вне зависимости
от специфических функций различных графических процессоров - это передача цифровых данных,
обработанных графическим процессором, в видеопамять, а оттуда в RAMDAC. Самое узкое место
любой видеокарты - это видеопамять, которая непрерывно обслуживает два главных устройства
видеоадаптера: графический процессор и RAMDAC, которые вечно перегружены работой. В любой
момент, когда на экране монитора происходят изменения (иногда они происходят в непрерывном
режиме, например, движение указателя мыши, мигание курсора в редакторе и т.д.), графический
процессор обращается к видеопамяти. В то же время, RAMDAC должен непрерывно считывать
данные из видеопамяти, чтобы изображение не пропадало с экрана монитора. Поэтому, чтобы
увеличить производительность видеопамяти, производители применяют различные технические
решения. Например, используют различные типы памяти с улучшенными свойствами и
продвинутыми возможностями, например, VRAM, WRAM, MDRAM, SGRAM, или увеличивают ширину
шины данных, по которой графический процессор или RAMDAC обмениваются информацией с
видеопамятью, используя 32-разрядную, 64-разрядную или 128-разрядную видеошину.
Один из вариантов - использовать двухпортовую видеопамять.
Т.е. графический процессор осуществляет чтение из видеопамяти или запись в нее через
один порт, а RAMDAC осуществляет чтение данных из видеопамяти, используя второй независимый
порт. В результате графическому процессору больше не надо ожидать, пока RAMDAC завершит
свои операции с видеопамятью, и наоборот, RAMDAC больше не требуется ожидать, пока
графический процессор не завершит свою работу с видеопамятью.
Другим методом для увеличения производительности является увеличение разрядности
шины, через которую графический процессор и RAMDAC обмениваются данными с видеопамятью.
Но самым распространенным на сегодняшний день методом оптимизации работы
видеоадаптеров является применение повышенной тактовой частоты, на которой работает
графический процессор, видеопамять и RAMDAC, что позволяет увеличить скорость обмена
информацией между компонентами платы.