Асоціативна пам'ять. Розвиток асоціативної пам'яті. Асоціативна пам'ять Інші додатки АП включають

Оперативна пам'ять з довільним зверненням, як правило, містить безліч однакових запам'ятовуючих елементів, що утворюють запам'ятовує масив (ЗМ). Масив розділений на окремі осередки; кожна з них призначена для зберігання двійкового коду, число розрядів в якому визначається шириною вибірки пам'яті (зокрема, це може бути одне, половина або кілька машинних слів). Спосіб організації пам'яті залежить від методів розміщення і пошуку інформації в запам'ятовуючому масиві. За цією ознакою розрізняють адресну, асоціативну і стекову (магазинну) пам'яті.

Адресна пам'ять.У пам'яті з адресною організацією розміщення і пошук інформації в ЗМ засновані на використанні адреси зберігання слова (числа, команди і т. П.). Адресою служить номер осередку ЗМ, в якій це слово розміщується.

При записи (або зчитуванні) слова в ЗМ ініціює цю операцію команда повинна вказувати адресу (номер осередку), за яким здійснюється запис (зчитування).

Типова структура адресному пам'яті, містить запам'ятовує масив з N-розрядних осередків і його апаратне обрамлення, що включає в себе регістр адреси РДА, що має k (k»Log N) розрядів, інформаційний регістр РГІ, Блок адресному вибірки БАВ, Блок підсилювачів зчитування БУС, Блок розрядних підсилювачів-формувачів сигналів запису бузі блок управління пам'яттю БУП.

За кодом адреси в РгА БАВформує у відповідній комірці пам'яті сигнали, що дозволяють зробити в осередку зчитування або запис слова.

Цикл звернення до пам'яті ініціюється надходженням в БУПззовні сигналу звернення. Загальна частина циклу звернення включає в себе прийом в РДАз шини адреси ШАадреси звернення і прийом в БУПі розшифровку керуючого сигналу операція, Що вказує вид запитуваної операції (зчитування або запис).

Далі при зчитуванні БАВдешифрирует адреса, посилає сигнали зчитування в задану адресою осередок ЗМ, при цьому код записаного в осередку слова зчитується підсилювачами зчитування БУС і передається в РГІ. Операція зчитування завершується видачею слова з РГІна вихідну інформаційну шину ШІВих.

При записи крім виконання зазначеної вище загальної частини циклу обігу здійснюється прийом записуваного слова із вхідними інформаційної шини ШІВхі РГІ. Потім в обрану БАВосередок записується слово з РГІ.

Блок керування БУПгенерує необхідні послідовності керуючих сигналів, що ініціюють роботу окремих вузлів пам'яті.

Асоціативна пам'ять.У пам'яті цього типу пошук потрібної інформації здійснюється не за адресою, а по її змістом (по асоціативному ознакою). При цьому пошук по асоціативному ознакою (або послідовно по окремим розрядам цієї ознаки) відбувається паралельно в часі для всіх осередків запам'ятовує масиву. У багатьох випадках асоціативний пошук дозволяє істотно спростити і прискорити обробку даних. Це досягається за рахунок того, що в пам'яті цього типу операція зчитування інформації поєднана з виконанням ряду логічних операцій.

Типова структура асоціативної пам'яті представлена на рис. 4.3. Запам'ятовує масив містить N (n + 1) розрядних осередків. Для вказівки зайнятості осередку використовується службовий n-й розряд (0 - осередок вільна, 1 - в осередку записано слово).

асоціативна пам'ять

асоціативна пам'ять(АП) або Асоціативне пристрій(АЗП) є особливим видом машинної пам'яті, використовуваної в додатках дуже швидкого пошуку. Відома також як пам'ять, що адресується за вмісту, асоціативне пристрій, контентно-адресується пам'ятьабо асоціативний масив, Хоча останній термін частіше використовується в програмуванні для позначення структури даних. (Hannum і ін., 2004)

Апаратний асоціативний масив

На відміну від звичайної машинної пам'яті (пам'яті довільного доступу, або RAM), в якій користувач задає адресу пам'яті і ОЗУ повертає слово даних, що зберігається за цією адресою, АП розроблена таким чином, щоб користувач ставив слово даних, і АП шукає його у всій пам'яті , щоб з'ясувати, чи зберігається воно десь в ньому. Якщо слово даних знайдено, АП повертає список одного або більше адрес зберігання, де слово було знайдено (і в деяких архітектурах, також повертає саме слово даних, або інші пов'язані частини даних). Таким чином, АП - апаратна реалізація того, що в термінах програмування назвали б асоціативним масивом.

Промислові стандарти адресується вмістом пам'яті

Визначення основного інтерфейсу для АП та інших Мережевих Елементів Пошуку (Network Search Elements, NSE) було специфіковане в Угоді про можливість взаємодій (Interoperability Agreement), названому Інтерфейс передісторій (Look-Aside Interface) ( LA-1і LA-1B) Який був розроблений Форумом Мережевий Обробки, який пізніше був об'єднаний з Оптичним міжмережевий Форумом (Optical Internetworking Forum, OIF). Численні пристрої були зроблені компаніями Integrated Device Technology, Cypress Semiconductor, IBM, Netlogic Micro Systems та іншими за цими угодами LA. 11 грудня 2007, OIF видав угоду про інтерфейс послідовної передісторії (Serial Lookaside, SLA).

Реалізація на напівпровідниках

Через те, що АП розроблена, щоб шукати у всій пам'яті однією операцією, це виходить набагато швидше ніж пошук в RAM практично у всіх додатках пошуку. Однак, є і мінус в більшій вартості АП. На відміну від чіпа RAM, у якого сховища прості, у кожного окремого біта пам'яті в повністю паралельної АП повинна бути власна приєднана схема порівняння, щоб виявити збіг між збереженим бітом і вхідним бітом. До того ж, виходи порівнянь від кожного осередку в слові даних повинні бути об'єднані, щоб привести до повного результату порівняння слова даних. Додаткова схема збільшує фізичний розмір чіпа АП, що збільшує вартість виробництва. Додаткова схема також збільшує рассеиваемую потужність, так як всі канали порівнянь активні на кожному такті. Як наслідок, АП використовується тільки в спеціалізованих додатках, де швидкість пошуку не може бути досягнута використовуючи інші менш дорогі методи.

альтернативні реалізації

Для того, щоб досягти іншого балансу між швидкістю, розміром пам'яті і вартості, деякий реалізації емулюють функції АП шляхом використання стандартного пошуку по дереву або алгоритмів хешування реалізованих апаратно, також використовуючи для прискорення ефективної роботи такі апаратні трюки як реплікація і конвеєрна обробка. Ці проекти часто використовуються в маршрутизаторах.

Трійкова Асоціативний пам'ять

Двійкова АП - найпростіший тип асоціативної пам'яті, який використовує слова пошуку даних, що складалися повністю з одиниць і нулів. У троичной АП додається третє значення для порівняння «X» або «не має значення», для одного або більше бітів в збереженому слові даних, додаючи таким чином більшої гнучкості пошуку. Наприклад, в троичной АП могло б бути збережено слово «10XX0», яке видасть совдпаденіе на будь-який з чотирьох слів пошуку «10000», «10010», «10100», або «10110». Додавання гнучкості до пошуку приходить за рахунок збільшення ціни двійковій АП, оскільки внутрішня комірка пам'яті має тепер закодувати три можливих стану замість двох. Це додаткове стан зазвичай здійснюється додаванням біта маски «важливості» ( «важливо» / «не має значення») до кожної комірки пам'яті.

Голографічна асоціативна пам'ять забезпечує математичну модель для інтегрованого асоціативного спогади біта «байдуже», використовуючи комплексно значною уявлення.

приклади додатків

Адресується вмістом пам'ять часто використовується в комп'ютерних мережевих пристроях. Наприклад, коли мережевий комутатор (switch) отримує фрейм даних на один з його портів, це оновлює внутрішню таблицю з джерелом MAC-адреси фрейма і порту, на який він був отриманий. Потім він шукає MAC-адресу призначення в таблиці, щоб визначити, на який порт фрейм повинен бути відправлений, і відсилає його на цей порт. Таблиця MAC- адрес зазвичай реалізована на двійковій АП, таким чином порт призначення може бути знайдений дуже швидко, зменшуючи час очікування комутатора.

Трійчастий АП часто використовуються в тих мережевих маршрутизаторах, в яких у кожного адреси є дві частини: (1) адреса мережі, який може змінитися в розмірі залежно від конфігурації підмережі, і (2) адреса хоста, який займає залишилися біти. У кожної підмережі є маска мережі, яка визначає, які біти - адреса мережі і які біти - адреса хоста. Маршрутизація робиться шляхом звірки з таблицею маршрутизації, яку підтримує маршрутизатор (router). У ній містяться всі відомі адреси мережі призначення, пов'язана з ними маска мережі і інформація, необхідна пакетам, маршрутизациї по цьому призначенню. Маршрутизатор, реалізований без АП, порівнює адресу призначення пакета, який буде розбитий, з кожним входом в таблиці маршрутизації, виконуючи при цьому логічне І з маскою мережі і порівнюючи результати з адресою мережі. Якщо вони рівні, відповідна інформація напрямки використовується, щоб відправити пакет. Використання троичной АП для таблиці маршрутизації робить процес пошуку дуже ефективним. Адреси зберігаються з використанням біта «байдуже» в частині адреси хоста, таким чином пошук адреси призначення в АП негайно витягує правильний вхід в таблиці маршрутизації; обидві операції - застосування маски і порівняння - виконуються апаратно засобами АП.

Інші додатки АП включають

Диспетчери кеша центрального процесора і асоціативні буфера трансляції (TLB)

Бібліографія

Кохонен Т. Асоціативні запам'ятовуючі пристрої. М .: Світ, 1982. - 384 с.

На англійській мові

Anargyros Krikelis, Charles C. Weems (editors) (1997) Associative Processing and Processors, IEEE Computer Science Press. ISBN 0-8186-7661-2

Hannum et al. (2004) System and method for resetting and initializing a fully associative array to a known state at power on or through machine specific state. U.S. Patent 6,823,434.

посилання

Wikimedia Foundation. 2010 року.

Дивитися що таке "Асоціативний пам'ять" в інших словниках:

В інформатиці безадресна пам'ять, в якій пошук інформації здійснюється за її змістом (асоціативному ознакою). Див. Також: Пам'ять комп'ютера Прикладне програмне забезпечення Фінансовий словник Фінам ... Фінансовий словник

асоціативна пам'ять- Пам'ять, в якій адресація визначається не місцем розташування об'єкта, а його змістом. Для знаходження адреси проводиться аналіз об'єкта і збіг його назви (за певними словами) з іншими адресами. Використання асоціативної пам'яті ... ... Довідник технічного перекладача

асоціативна пам'ять- асоціативне пристрій; асоціативна пам'ять Оперативна пам'ять, в якому місце звернення визначається вмістом зберігається ... Політехнічний термінологічний тлумачний словник

асоціативна пам'ять- asociatyvioji atmintis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. associative memory vok. assoziativer Speicher, m; Durchsuchspeicher, m rus. асоціативна пам'ять, f pranc. mémoire associative, f ... Automatikos terminų žodynas

асоціативна пам'ять- Див. Пам'ять, асоціативна ... Тлумачний словник по психології

Цю статтю слід вікіфіціровать. Будь ласка, оформіть її згідно з правилами оформлення статей. Людська пам'ять асоціативна, тобто деякий спогад може породжувати велику пов'язану з ним область. Один предмет нагадує нам ... Вікіпедія

багаторівневої таблиці сторіноквимагає декількох звернень до основної пам'яті, тому займає багато часу. У деяких випадках така затримка недопустима. Проблема прискорення пошуку вирішується на рівні архітектури комп'ютера.

Відповідно до властивістю локальності більшість програм протягом певного проміжку часу звертаються до невеликої кількості сторінок, тому активно використовується тільки невелика частина таблиці сторінок.

Природне вирішення проблеми прискорення - забезпечити комп'ютер апаратним пристроєм для відображення віртуальних сторінок в фізичні без звернення до таблиці сторінок, тобто мати невелику, швидку кеш-пам'ять, що зберігає необхідну на даний момент частина таблиці сторінок. Це пристрій називається асоціативної пам'яттю, Іноді також вживають термін буфер пошуку трансляції (translation lookaside buffer - TLB).

Одна запис таблиці в асоціативної пам'яті(Один вхід) містить інформацію про одну віртуальної сторінці: її атрибути і кадр, в якому вона знаходиться. Ці поля в точності відповідають полям у таблиці сторінок.

Так як асоціативна пам'ятьмістить тільки деякі із записів таблиці сторінок, кожна запис в TLB повинна включати поле з номером віртуальної сторінки. Пам'ять називається асоціативної, тому що в ній відбувається одночасне порівняння номера відображається віртуальної сторінкиз відповідним полем у всіх рядках цієї невеликої таблиці. Тому даний вид пам'яті досить дорого коштує. У рядку, поле віртуальної сторінкиякої збіглося з шуканим значенням, знаходиться номер сторінкового кадру. Звичайне число записів в TLB від 8 до 4096. Зростання кількості записів в асоціативної пам'ятіповинен здійснюватися з урахуванням таких факторів, як розмір кеша основної пам'яті і кількості звернень до пам'яті при виконанні однієї команди.

Розглянемо функціонування менеджера пам'яті при наявності асоціативної пам'яті.

На початку інформація про відображення віртуальної сторінкив фізичну відшукується в асоціативної пам'яті. Якщо потрібна запис знайдений - все нормально, за винятком випадків порушення привілеїв, коли запит на звернення до пам'яті відхиляється.

Якщо потрібна запис в асоціативної пам'ятівідсутня, відображення здійснюється через таблицю сторінок. Відбувається заміна однієї із записів у асоціативної пам'ятізнайденої записом з таблиці сторінок. Тут ми стикаємося з традиційною для будь-якого кеша проблемою заміщення (а саме яку із записів в кеші необхідно змінити). конструкція асоціативної пам'ятіповинна організовувати записи таким чином, щоб можна було прийняти рішення про те, яка зі старих записів повинна бути видалена при внесенні нових.

Число вдалих пошуків номера сторінки в асоціативної пам'ятіпо відношенню до загальної кількості пошуків називається hit (збіг) ratio (пропорція, ставлення). Іноді також використовується термін "відсоток влучень в кеш". Таким чином, hit ratio - частина посилань, яка може бути зроблена з використанням асоціативної пам'яті. Звернення до одних і тих же сторінок підвищує hit ratio. Чим більше hit ratio, тим менше середній час доступу до даних, що знаходяться в оперативній пам'яті.

Припустимо, наприклад, що для визначення адреси в разі кеш-промаху через таблицю сторінок необхідно 100 нс, а для визначення адреси в разі кеш-попадання через асоціативну пам'ять- 20 нс. З 90% hit ratio середній час визначення адреси - 0,9x20 + 0,1x100 = 28 нс.

Цілком прийнятна продуктивність сучасних ОС доводить ефективність використання асоціативної пам'яті. Високе значення ймовірності знаходження даних в асоціативної пам'ятіпов'язане з наявністю у даних об'єктивних властивостей: просторової і тимчасової локальності.

Необхідно звернути увагу на наступний факт. При перемиканні контексту процесів потрібно домогтися того, щоб новий процес "не бачив" в асоціативної пам'ятіінформацію, що стосується попереднього процесу, наприклад очищати її. Таким чином, використання асоціативної пам'ятізбільшує час перемикання контексту.

Розглянута дворівнева ( асоціативна пам'ять+ Таблиця сторінок) схема перетворення адреси є яскравим прикладом ієрархії пам'яті, заснованої на використанні принципу локальності, про що говорилося у вступі до попередньої лекції.

Інвертована таблиця сторінок

Незважаючи на багаторівневу організацію, зберігання декількох таблиць сторінок великого розміру, як і раніше представляють собою проблему. Її значення особливо актуально для 64-розрядних архітектур, де число віртуальних сторінок дуже велике. Варіантом вирішення є застосування інвертованою таблиці сторінок(Inverted page table). Цей підхід застосовується на машинах PowerPC, деяких робочих станціях Hewlett-Packard, IBM RT, IBM AS / 400 і ряді інших.

У цій таблиці міститься по одному запису на кожен сторінковий кадр фізичної пам'яті. Істотно, що достатньо однієї таблиці для всіх процесів. Таким чином, для зберігання функції відображення потрібна фіксована частина основної пам'яті, незалежно від розрядності архітектури, розміру і кількості процесів.

Незважаючи на економію оперативної пам'яті, застосування інвертованою таблицімає суттєвий мінус - записи в ній (як і в асоціативної пам'яті) НЕ відсортовані по зростанню номерів віртуальних сторінок, що ускладнює трансляцію адреси. Один із способів вирішення цієї проблеми - використання хеш-таблиці віртуальних адрес. При цьому частина ВА, Що представляє собою номер сторінки, відображається в хеш-таблицю з використанням функції хешування. Кожній сторінці фізичної пам'яті тут відповідає одна запис в хеш-таблиці і інвертованою таблиці сторінок. Віртуальні адреси, Що мають одне значення хеш-функції, зчіплюються один з одним. Зазвичай довжина ланцюжка не перевищує двох записів.

Розмір сторінки

Розробники ОС для існуючих машин рідко мають можливість впливати на розмір сторінки. Однак для новостворюваних комп'ютерів рішення щодо оптимального розміру сторінки є актуальним. Як і слід було очікувати, немає одного найкращого розміру. Швидше є набір факторів, що впливають на розмір. Зазвичай розмір сторінки - це ступінь двійки від 2 9 до 2 14 байт.

В асоціативних запам'ятовуючих пристроях пошук інформації здійснюється за асоціативному ознакою, записаному в кожну клітинку пам'яті.

У пам'яті цього типу пошук потрібної інформації здійснюється не за адресою, а за змістом самої інформації (тобто по асоціативному ознакою). При цьому пошук по асоціативному ознакою відбувається паралельно в часі для всіх осередків пам'яті. Асоціативний пошук дозволяє істотно спростити і прискорити обробку даних. Це досягається за рахунок того, що в такий пам'яті операція читання інформації поєднана з виконанням ряду логічних операцій. Наприклад, можна виконувати такі операції, як:

1) пошук максимального або мінімального числа в ЗУ;

2) пошук слів, укладених в певні межі;

3) пошук слів, найближчих до асоціативному ознакою, як з більшою, так і з меншої сторони і т.д.

Найпростіша асоціативна пам'ять зазвичай виконує єдину операцію по вибірці слів, чий ознака збігається з асоціативним ознакою.

Запам'ятовує масив (ЗМ) містить N осередків, кожна клітинка n + 1 розрядна. Для вказівки зайнятості осередку використовується службовий n-ий розряд. Якщо в n-му розряді 0 - то осередок вільна, якщо 1 - то зайнята.

За вхідний ШД в регістр асоціативного ознаки RGП надходить n-розрядний ознака, а в регістр маски RGМ - код маски пошуку. При цьому n-ий розряд регістра RGМ встановлюється в 0. Асоціативний пошук здійснюється лише за тими розрядами ознаки, яким відповідає «1» в регістрі маски, тобто за так званими незамаскованими розрядами RGМ. Таким чином, задаючи код маски М, можна довільно вибирати ті розряди ознаки, за якими ведеться пошук.

Для слів з ЗМ, в яких всі цифри збіглися з незамаскованими розрядами RGП, комбінована схема КС 1 встановлює «1» до відповідних розряди регістра збігу RGC. Таким чином, якщо сталося збіг цифри j-го слова з незамаскіруемимі розрядами ознаки, то в j-му розряді регістра RGC буде записана «1», в іншому випадку «0». Запис «1» в j-му розряді RGC означає, що j-е слово відповідає ознакою, тобто є тим словом, яке власне і шукається в ЗМ.

У регістр маски записується слово, яке дозволяє запит по всім або тільки деяким розрядами асоціативного ознаки, застосування маски дозволяє скоротити або розширити область пошуку.

Пошук інформації проводиться паралельно за всіма осередкам шляхом порівняння запиту з асоціативним ознакою кожного осередку.

Результат пошуку формує спеціальна комбінаційна схема, що виробляє сигнали, що оповіщають про відсутність слів, які відповідають умовам пошуку, про наявність лише одного слова, про наявність кількох слів, що мають такий асоціативний ознака.

Після формування і обробки оповіщають сигналів схемою управління проводиться зчитування необхідної інформації.

При запису інформації спочатку знаходиться вільна осередок. Для цього виконується операція асоціативного пошуку за ознакою, що має в усіх розрядах «0», а в регістрі маски «0» записані у всіх розрядах, крім молодшого n-го розряду.

Таким чином, визначаються ті осередки ЗМ, у яких в n-му розряді записаний «0», що означає незайнятість осередки. У вільну комірку з найменшим номером записується слово з регістра інформації RGI.

При використанні додаткових комбінаційних схем в асоціативної пам'яті можна виконувати різні логічні операції, визначаючи максимальне або мінімальне число, кількість слів, що мають однаковий асоціативний ознака і т.д. На рис.1 показана структура асоціативної пам'яті. Осередки пам'яті асоціативного пристрою, що запам'ятовує повинні бути елементами статичної пам'яті, в асоціативної пам'яті звернення проводиться до всіх осередків одночасно і не повинно перериватися циклами регенерації. Асоціативна пам'ять найбільш швидкодіюча, але дуже дорога, тому що вимагає введення додатково схеми порівняння, що дозволяє здійснити пошук, для кожного осередку пам'яті. Тому така пам'ять зазвичай не використовується в чистому вигляді, а швидкодіючі пристрої пам'яті типу Кеш зазвичай виконуються як частково асоціативні.

У мікропроцесорах асоціативна пам'ять (пам'ять з вибіркою за змістом) використовуються в складі кеш-пам'яті для зберігання адресній частині команд і операндів виконуваної програми. При цьому немає необхідності звертатися до ОЗУ за допомогою такої команди або необхідним операндом, досить помістити в регістр асоціативного ознаки необхідну адресу і, якщо шукана інформація є в кеш пам'яті, то вона відразу буде видана. Звернення до оперативної пам'яті буде необхідно лише при відсутності необхідної інформації в кеш. За рахунок такого використання кеш скорочується число звернень до ОЗУ, а це дозволяє економити час, так як звернення до кеш вимагає приблизно в 10 разів менше часу, ніж звернення до ОЗУ.

Стекова організація пам'яті

Якщо запис і читання проводиться через один і той же регістр, то такий пристрій називається стековой пам'яттю, що працює за принципом "першим увійшов - останнім вийшов" (FILO-First Input, Last Output).

Стекова пам'ять також як і асоціативна, є безадресної, вона являє собою сукупність осередків, утворюють одномірний масив, в якому сусідні осередки пов'язані один з одним розрядними ланцюгами передачі слів. Запис слів завжди проводиться в верхню нульову комірку. При цьому буде видалено всі слова зсуваються вниз на одну клітинку. Читання проводиться в порядку зворотному порядку записи.

Стекова пам'ять набула широкого поширення. Для її реалізації в ОЗУ за допомогою програм операційної системи виділяється частина пам'яті під стек. На практиці часто стекову пам'ять організують, використовуючи звичайну адресну пам'ять.

Розглянемо організацію стековой пам'яті, як пам'яті, утвореної з пов'язаних між собою елементів пам'яті, в яких інформація при записі в стек нового слова зміщується вниз (Рис.2). Обмін інформацією здійснюється тільки через верхню комірку пам'яті. При зчитуванні слів з стека, слово може віддалятися з стековой пам'яті або зрушуватися по кільцю, в залежності від організації стека. Режим читання - останнім увійшов, першим вийшов - називають LIFO (Last In First Out).

Ріс.2.Організація стековой пам'яті.

Апаратна реалізація такої пам'яті не завжди доцільна і часто стековая пам'ять організується в основний пам'яті комп'ютера програмно, що дозволяє змінювати обсяг стека в залежності від необхідності. При організації стека в основний пам'яті виділяється спеціальний адресний регістр - "покажчик стека". У покажчику стека знаходиться адресу останнього записаного в стек слова. При записи слова в стек адреса вершини стека автоматично зменшується, при читанні - автоматично збільшується. Стекова пам'ять використовується зазвичай для збереження стану поточної програми при обробці переривання. Після виконання перериває програми стан всіх регістрів, що існували в момент переривання програми відновлюється в послідовності, зворотній послідовності записи. Можна зберігати в стеці і дані програми, це зручно тим, що при зверненні до стека не потрібно вказувати в програмі адреси осередки пам'яті, вилучення інформації з стека так само відбувається без вказівки адреси.

Загальні відомості і класифікація пристроїв пам'яті

Лекція 2. Організація пам'яті ЕОМ.

МінісуперЕВМ і супермініЕВМ.

Малі і мікроЕОМ.

Є велика кількість, умовно кажучи, «малих» застосувань обчислювальних машин, таких, як автоматизація виробничого контролю виробів, обробка даних при експериментах, прийом і обробка даних з лінії зв'язку, управління технологічними процесами, управління верстатами і різноманітними цифровими терміналами, малі розрахункові інженерні завдання .

В даний час малі і мікроЕОМ вбудовують в різні «розумні» прилади (електролічильники, мікрохвильовки, пральні машини, модеми, датчики і т.д.).

У класифікації відсутні чіткі межі між розглянутими типами ЕОМ. Останнім часом стали виділяти два проміжних типу.

До супермініЕВМ відносять високопродуктивні ЕОМ містять один або кілька слабосвязанних процесорів, об'єднаних із загальною магістраллю (загальною шиною). Для супермініЕВМ характерно, що швидкість виконання його арифметичних операцій над числами з плаваючою точкою істотно нижче швидкості роботи, яка визначається за суміші команд, відповідної інформаційно-логічним запитам. До цього типу можна віднести IBM-івський шаховий комп'ютер Deep Blue.

МінісуперЕВМ - це спрощені (зокрема за рахунок більш короткого слова) багатопроцесорні ЕОМ, найчастіше із засобами векторної і конвеєрної обробки, з високою швидкістю виконання операцій над числами з плаваючою точкою. До цього типу можна віднести ЕОМ з SMP (Symmetric multiprocessor) архітектурою.

Пристрої, що запам'ятовують можна класифікувати за наступними критеріями: · за типом запам'ятовуючих елементів · за функціональним призначенням · за типом способу організації обігу · За характером зчитування · За способом зберігання · за способом організації За типом запам'ятовуючих елементів Напівпровідникові Магнітні Конденсаторні Оптоелектронні Голографические Кріогенні За функціональним призначенням ОЗУ СОЗУ ВЗП ПЗУ ППЗУ

За способом організації звернення З послідовним пошуком З прямим доступом З безпосереднім доступом або Адресні Асоціативні Стекові Магазинні За характером зчитування З руйнуванням інформації Без руйнування інформації за способом зберігання Статичні Динамічні За способом організації Однокоординатний двухкоординатні трикоординатних Дво- трьохкоординатні

пам'яттюЕОМ називається сукупність пристроїв, службовців для запам'ятовування, зберігання і видачі інформації. Окремі пристрої, що входять до цієї сукупність, називають запам'ятовуютьабо пам'ятями того чи іншого типу.

Продуктивність і обчислювальні можливості ЕОМ в значній мірі визначаються складом і характеристиками її ЗУ. У складі ЕОМ використовується одночасно декілька типів ЗУ, що відрізняються принципом дії, характеристиками і призначенням.

Основними операціями в пам'яті є занесення інформації в пам'ять - записі вибірка інформації з пам'яті - зчитування. Обидві ці операції називаються зверненням до пам'яті.

При зверненні до пам'яті відбувається зчитування або запис деякої одиниці даних - різної для пристроїв різного типу. Такою одиницею може бути, наприклад, байт, машинне слово або блок даних.

Найважливішими характеристиками окремих пристроїв пам'яті (запам'ятовуючих пристроїв) є ємність пам'яті, питома ємність, швидкодія.

ємність пам'ятівизначається максимальною кількістю даних, які можуть в ній зберігатися.

питома ємністьє відношення ємності ЗУ до його фізичного обсягу.

щільність записує відношення ємності ЗУ до площі носія. Наприклад, у HDD ємністю до 10 Гб щільність запису становить 2 Гбіт на кв. дюйм.

швидкодія пам'ятівизначається тривалістю операції звернення, т. е. часом, що витрачається на пошук потрібної одиниці інформації в пам'яті і на її зчитування ( час звернення при зчитуванні), Або часом на пошук місця в пам'яті, що призначається для зберігання даної одиниці інформації, і на її запис в пам'ять (час звернення при записі).

Тривалість звернення до пам'яті (час циклу пам'яті) при зчитуванні

де - час доступу, що визначається проміжком часу між моментом початку операції звернення при зчитуванні до моменту, коли стає можливим доступ до даної одиниці інформації; - тривалість самого фізичного процесу зчитування, т. Е. Процесу виявлення і фіксації станів відповідних запам'ятовуючих елементів або ділянок поверхні носія інформації.

У деяких пристроях пам'яті зчитування інформації супроводжується її руйнуванням (стиранням). В такому випадку цикл звернення повинен містити операцію відновлення (регенерації) прочитаної інформації на колишньому місці в пам'яті.

Тривалість звернення (час циклу) при записі

де - час доступу при записі, т. е. час від моменту початку обігу під час запису до моменту, коли стає можливим доступ до запам'ятовуючим елементам (або ділянок поверхні носія), в які проводиться запис; - час підготовки, що витрачається на приведення в початковий стан запам'ятовуючих елементів або ділянок поверхні носія інформації для запису певної одиниці інформації (наприклад, байти або слова); - час занесення інформації, т. Е. Зміни стану запам'ятовуючих елементів (ділянок поверхні носія). Здебільшого

Як тривалості циклу звернення до пам'яті приймається величина

Залежно від реалізованих в пам'яті операцій звернення розрізняють: а) пам'ять з довільним зверненням (можливі зчитування і запис даних в пам'ять); б) пам'ять тільки для зчитування інформації ( «постійна» або «одностороння»). Запис інформації в постійну пам'ять виробляється в процесі її виготовлення або настройки.

Ці типи пам'яті відповідають термінам RAM (random access memory - пам'ять з довільним зверненням) і ROM (read only memory - пам'ять тільки для зчитування).

За способом організації доступу розрізняють пристрої пам'яті з безпосереднім (довільним), з прямим (циклічним) і послідовним доступами.

У пам'яті з безпосереднім (довільним)доступом час доступу, а тому і цикл звернення не залежать від місця розташування ділянки пам'яті, з якого виробляється зчитування або в який записується інформація. У більшості випадків безпосередній доступ реалізується за допомогою електронних (напівпровідникових) ЗУ. У подібних пам'яті цикл звернення зазвичай становить 70 і менше наносекунд. Кількість розрядів, зчитуються або записуються в пам'яті з безпосереднім доступом паралельно в часі за одну операцію звернення, називається шириною вибірки.

У двох інших типах пам'яті використовуються більш повільні електромеханічні процеси. У пристроях пам'яті з прямим доступом, До яких відносяться дискові пристрої, завдяки безперервному обертанню носія інформації можливість звернення до деякої ділянки носія для зчитування або запису циклічно повторюється. У такій пам'яті час доступу становить зазвичай від кількох часток секунди до декількох десятків мілісекунд.

У пам'яті з послідовним доступомвиробляється послідовний перегляд ділянок носія інформації, поки потрібну ділянку носія не займе деякий вихідне положення. Характерним прикладом є ЗУ на магнітних стрічках, т.зв. стримери ( streamer). Час доступу може в несприятливих випадках розташування інформації досягти декількох хвилин.

Хорошим прикладом стрічкового накопичувача є застосування адаптера Арвід з VHS відеомагнітофоном. Ємність цього накопичувача складає 4 ГБ / 180мин.

Пристрої, що запам'ятовують розрізняються також по виконуваних в ЕОМ функцій, які надаються зокрема, від місця розташування ЗУ в структурі ЕОМ.

Вимоги до ємності і швидкодії пам'яті є суперечливими. Чим більше швидкодія, тим технічно важче досягається і дорожче обходиться збільшення ємності пам'яті. Вартість пам'яті становить значну частину загальної вартості ЕОМ. Тому пам'ять ЕОМ організовується у вигляді ієрархічної структури запам'ятовуючих пристроїв, що володіють різними швидкодією і ємністю. У загальному випадку ЕОМ містить наступні типи пам'яті, в порядку убування швидкодії і зростання ємності.

Ієрархічна структура пам'яті дозволяє економічно ефективно поєднувати зберігання великих обсягів інформації з швидким доступом до інформації в процесі обробки.

Таблиця 2.1.

Оперативної або основною пам'яттю(ОП) називають пристрій, який служить для зберігання інформації (даних програм, проміжних і кінцевих результатів обробки), безпосередньо використовується в процесі виконання операцій в арифметико-логічному пристрої (АЛП) і пристрій керування (УУ) процесора.

У процесі обробки інформації здійснюється тісна взаємодія процесора і ОП. З ОП в процесор надходять команди програми і операнди, над якими виробляються передбачені командою операції, а з процесора в ОП направляються для зберігання проміжні і кінцеві результати обробки.

Характеристики ОП безпосередньо впливають на основні показники ЕОМ і в першу чергу на швидкість її роботи. На поточний момент оперативна пам'ять має ємність від декількох МБ до кількох ГБ і цикл звернення близько 60 нс і менше. Пристрої, що запам'ятовують ОП виготовляються на інтегральних мікросхемах з великим ступенем інтеграції (напівпровідникові ЗУ).

Останнім часом ряд фірм заявили про початок серійного випуску чипів динамічної пам'яті ємністю 1Гб. Визнаним лідером є Samsung. Самим масовим виробом на сьогоднішній день можна вважати 64 Мб чіпи. У найближчий рік передбачається широке застосування 128Мб і 256Мб чіпів.

У ряді випадків швидкодію ОП виявляється недостатнім, і до складу машини доводиться включати СОП (буферну або кеш-пам'ять на кілька сотень або тисяч кілобайт з циклом звернення, що становить кілька наносекунд. Такі СОП виконуються на чіпах статичної пам'яті. Швидкодія кешу повинно відповідати швидкості роботи арифметико -логічних і керуючих пристроїв процесора. Надоперативна (буферна) пам'ять використовується для проміжного зберігання зчитувальних процесором з ОП ділянок програми і груп даних, як робочу силу осередків програми, індексних регістрів, для зберігання службової інформації, використовуваної при управлінні обчислювальним процесом. Вона виконує роль узгоджувального ланки між швидкодіючими логічними пристроями процесора і повільнішою ОП.

Як ОП і СОП використовуються швидкодіючі ЗУ з довільним зверненням і безпосереднім доступом.

Зазвичай ємність ОП виявляється недостатньою для зберігання всіх необхідних даних в ЕОМ. Тому ЕОМ містить в своєму складі кілька ЗУ з прямим доступом на дисках (ємність одного ЗУ на HDD дисках 1 - 30 Гбайт) і кілька ЗУ з послідовним доступом на магнітних стрічках (ємність одного ЗУ 4 - 35 Гбайт).

Оперативна пам'ять разом з СОП і деякими іншими спеціалізованими пам'ятями процесора утворюють внутрішню пам'ятьЕОМ (рис. 4.1). Електромеханічні ЗУ утворюють зовнішню пам'ятьЕОМ, а самі вони тому називаються зовнішніми пристроями, що запам'ятовують(ВЗУ).

Оперативна пам'ять будь-якого типу складається з запам'ятовує масиву, що зберігає інформацію, і блоків, службовців для пошуку в масиві, записи і зчитування (а в ряді випадків і для регенерації) інформації.

Мал. 2.2. Структура асоціативної пам'яті

За вхідний інформаційної шині ШІВхв регістр асоціативного ознаки РгАПв розряди 0..n-1 надходить n-розрядний асоціативний запит, а в регістр маски РГМ- код маски пошуку, при цьому n-розряд РГМвстановлюється в 0. Асоціативний пошук здійснюється лише для сукупності розрядів РгАП, Яким відповідають 1 в РГМ(Незамасковані розряди РгАП). Для слів, в яких цифри в розрядах співпали з незамаскованими розрядами РгАП, Комбінаційна схема КСвстановлює в 1 відповідні розряди регістра збігу РгСві 0 в інші розряди. Таким чином, значення j-го розряду в РгСввизначається виразом

РгСв (j)=

де РгАП[i], РГМ[i] і ЗМ[j, i] - значення i-го розряду відповідно РгАП, РГМі j-і осередки ЗМ.

Комбінаційна схема формування результату асоціативного звернення ФСформує з слова, що утворився в РгСв, Сигнали a 0, a 1, a 2, відповідні випадків відсутності слів в ЗМ, Що задовольняють асоціативному ознакою, і наявності одного (і більше) такого слова.

формування вмісту РгСві сигналів a 0, a 1, a 2 по вмісту РгАП, РГМі ЗМназивається операцією контролю асоціації. Ця операція є складовою частиною операцій зчитування і запису, хоча вона має і самостійне значення.

При зчитуванні спочатку проводиться контроль асоціації по асоціативному ознакою в РгАП. Потім при a 0 = 1 зчитування відміняється через відсутність шуканої інформації, при a 1 = 1 зчитується в РГІзнайдене слово, при a 2 = 1 в РГІзчитується слово з осередку, що має найменший номер серед осередків, зазначених 1 у РгСв. з РГІлічений слово видається на ШІВих.

При записи спочатку відшукується вільна осередок. Для цього виконується операція контролю асоціації при РгАП= 111 ... 10 і РГМ= 00 ... 01, при цьому вільні комірки відзначаються 1 в РгСв. Для запису вибирається вільна осередок з найменшим номером. У неї записується слово, яке надійшло з ШІВхв РГІ.

За допомогою операції контролю асоціації можна, не зчитуючи слів з пам'яті, визначити по вмісту РгСв, Скільки в пам'яті слів, які відповідають асоціативному ознакою, наприклад реалізувати запити типу скільки студентів в групі мають відмінну оцінку по даній дисципліні. При використанні відповідних комбінаційних схем в асоціативної пам'яті можуть виконуватися досить складні логічні операції, такі, як пошук більшого (меншого) числа, пошук слів, укладених в певних межах, пошук максимального (мінімального) числа і ін. Асоціативний пам'ять застосовується, наприклад, в апаратурі динамічного розподілу ОП.

Відзначимо, що для асоціативної пам'яті необхідні елементи, що запам'ятовують, що допускають зчитування без руйнування записаної в них інформації. Це пов'язано з тим, що при асоціативному пошуку зчитування проводиться по всьому ЗМдля всіх незамаскованими розрядів і ніде зберігати тимчасово руйнується зчитуванням інформацію.

стекова пам'ять, Так само як і асоціативна, є безадресної. Стекову пам'ять можна розглядати як сукупність осередків, утворюють одномірний масив, в якому сусідні осередки пов'язані один з одним розрядними ланцюгами передачі слів. Запис нового слова проводиться в верхній осередок (осередок 0), при цьому буде видалено всі слова (включаючи слово, що знаходилося в осередку 0), зсуваються вниз, в сусідні осередки з великими на 1 номерами. Зчитування можливо тільки з верхньої (нульовий) осередки пам'яті, при цьому, якщо проводиться зчитування з видаленням, всі інші слова в пам'яті зсуваються вгору, в сусідні осередки з великими номерами. У цій пам'яті порядок зчитування слів відповідає правилу: останнім надійшов - першим обслуговується. У ряді пристроїв розглянутого типу передбачається також операція простого зчитування слова з нульовою осередки (без його видалення і зсуву слова в пам'яті). Іноді стековая пам'ять забезпечується лічильником стека СчСт, Що показує кількість занесених в пам'ять слів. сигнал СчСт= 0 відповідає порожньому стеку, СчСт= N- 1 - заповненому стеку.

Зазвичай стекову пам'ять організують, використовуючи адресну пам'ять. В цьому випадку лічильник стека, як правило, відсутня, так як кількість слів у пам'яті можна виявити за вказівником стека. Широке застосування стековая пам'ять знаходить при обробці вкладених структур даних, при виконанні безадресних команд і переривань.

Архітектурна організація процесора ЕОМ

Процесор займає в архітектурі ЕОМ центральне місце, здійснюючи управління взаємодією всіх основних компонент, що входять до складу ЕОМ Він безпосередньо здійснює обробку інформації, і програмне управління даним процесом дешифрирует і виконує команди програм, організовує звернення до оперативної пам'яті (ОП), в потрібних випадках ініціює операції введення / виведення і роботу периферійних пристроїв, сприймає і обробляє запити, що надходять як від пристроїв ЕОМ, так і з зовнішнього середовища (організація системи переривань). Виконання кожної команди складається з виконання більш дрібних операцій - микрокоманд, що виконують певні елементарні дії. Набір микрокоманд визначається системою команд і логічною структурою конкретної ЕОМ. Таким чином, кожна команда ЕОМ реалізується відповідної прошивки, що зберігається в постійному пристрої, що запам'ятовує (ПЗУ). У деяких ЕОМ (в першу чергу, спеціалізованих) все або частину команд реалізуються апаратно, що дозволяє підвищувати їх продуктивність за рахунок втрати певної частини гнучкості системи команд машини. Як один, так і другий спосіб реалізації команд ЕОМ має свої плюси і мінуси.

Мова микропрограммирования призначений для опису цифрових пристроїв, що функціонують на рівні регістрів. Він має прості та наочні засоби опису машинних слів, регістрів, шин і інших базових елементів ЕОМ. З урахуванням сказаного, ієрархію мов опису обчислювального процесу на ЕОМ можна представити, в загальному випадку, на чотирьох рівнях: (1) булева операція (функціонування комбінаційних ЛЗ) => (2) мікрокоманда (функціонування вузлів ЕОМ) => (3) команда ( функціонування ЕОМ) => (4) оператор ЯВУ (опис алгоритму розв'язуваної задачі). Для визначення тимчасових співвідношень між мікрокомандами встановлюється одиниця часу (такт), протягом якої виконується найтриваліша мікрокоманда. Тому виконання однієї команди ЕОМ синхроімпульсами, що генеруються спеціальним пристроєм процесора - тактовим генератором, тактова частота (вимірюється в МГц) в значній мірі визначає швидкодію ЕОМ. Природно, для інших класів ЕОМ даний показник іншим чином пов'язується з продуктивністю, яка визначається такими додатковими факторами, як.

Ширина доступу в пам'ять,

Час вибірки,

Розрядність,

Архітектура процесора і його сопроцессоров,

Укрупнення схема центрального процесора (ЦП) деякої формальної ЕОМ представлена на малюнку, де зображені тільки основні його блоки керуючі регістри (УР), пристрій управління (УУ), ПЗУ, арифметико-логічний пристрій (АЛП), реєстрова пам'ять (РП), кеш пам'ять і інтерфейсний блок (ІБ). Поряд з перерахованими ЦП містить ряд інших блоків (переривання, захисту ВП, контролю та діагностики і ін.), Структура і призначення яких тут не розглядаються. Блок УУ виробляє послідовність керуючих сигналів, що ініціюють виконання відповідної послідовності мікрокоманд (що знаходяться в ПЗУ), що реалізує поточну команду. Поряд з цим УУ координує функціонування всіх пристроїв ЕОМ за допомогою посилки керуючих сигналів обмін даними ЦП<->ОП, зберігання і обробка інформації, інтерфейс з користувачем, тестування і діагностика та ін. Тому УУ доцільно розглядати як окремий блок ЦП; однак на практиці більшість керівників схем розподілені по всій ЕОМ. Вони пов'язані великим числом керуючих ліній, що передають сигнали для синхронізації операції у всіх пристроях ЕОМ і приймають сигнали про їх стан. Блок УР призначений для тимчасового зберігання керуючої інформації і містить регістри і лічильники, які беруть участь спільно з УУ в управлінні обчислювальним процесом регістр стану ЦП, програми (ССП), лічильник команд (СК) являє собою регістр, який зберігає в ОП адреса виконуваної команди (в період виконання поточної команди його вміст оновлюється на адресу наступної команди), регістр команд (РК) містить виконувану команду (його виходи пов'язані з керуючими схемами, генеруючими розподілені в часі сигнали, необхідні для виконання команд)

Блок РП містить регістри сверхоперативной пам'яті (більш високої швидкодії, ніж ОП) невеликого обсягу, що дозволяють підвищити швидкодію і логічні можливості ЦП. Ці регістри використовуються в командах шляхом скороченою реєстрової адресації (вказуються лише номери регістрів) і служать для зберігання операндів, результатів операцій, в якості базових та індексних регістрів, покажчиків стека і ін. В деяких ЦП базові та індексні регістри входять до складу блоку УТ, як правило, РП виконується у вигляді швидкодіючих напівпровідникових інтегральних запам'ятовуючих пристроїв

Блок АЛУ служить для виконання арифметичних і логічних операцій над даними, які надходять з ОП і зберігаються в РП, і працює під управлінням УУ. АЛУ виконує арифметичні операції над бінарними числами з фіксованою і плаваючою точками, над десятковими числами, робить обробку символьної інформації над словами фіксованої і змінної довжини. Логічні операції проводяться над окремими бітами, групами бітів, байтами і їх послідовностями. Тип виконуваної АЛУ операції визначається поточною командою функціонуючої в даний момент програми, точніше, АЛУ служить для виконання будь-якої операції, що задається йому УУ. У загальному випадку обробляється ЕОМ інформація складається зі слів, що містять фіксовану кількість n бітів (наприклад n = 8. 16. 32, 64, 128 біт). В цьому випадку АЛУ повинно мати можливість проводити операції над n-бітними словами операнди надходять з ОП на регістри АЛУ, а УУ вказує операцію, яку необхідно над ними зробити, результат кожної арифметико-логічного операції зберігається в спеціальному регістрі-сумматоре, що є основним регістром для арифметико-логічних операцій.

Суматор з'єднаний з вентильними схемами для виконання необхідних операцій над його вмістом і вмістом інших регістрів. Деякі ЕОМ мають кілька суматорів, при кількості, більшій 4, вони виділяються в спеціальну групу регістрів загального призначення (РОН). Конструктивно АЛУ виконується на одному або декількох БІС / НВІС, при цьому ЦП може мати одне АЛУ універсального призначення або кілька спеціалізованих для окремих видів операції. В останньому випадку збільшується структурна складність ЦП, але підвищується його швидкодію за рахунок спеціалізації і спрощення схем обчислення окремих операцій. Такий підхід широко використовується в сучасних ЕОМ загального призначення і супер-ЕОМ для підвищення їх продуктивності Незважаючи на різні класи ЕОМ, їх АЛУ використовують загальні принципи виконання арифметико-логічних операції. Відмінності стосуються схемотехнік організації АЛУ і принципів реалізації операції, що забезпечують прискорення їх виконання.

Інтерфейсний блок (ІБ) забезпечує обмін інформацією ЦП з ОП і захист ділянок ОП від несанкціонованого для поточної програми доступу, а також зв'язок ЦП з периферійними пристроями та іншими зовнішніми по відношенню до нього пристроями (ВУ), в якості яких можуть виступати інші процесори і ЕОМ . Зокрема, ІБ містить два регістри, що забезпечують зв'язок з ОП - регістр адреси пам'яті (РАП) і регістр даних пам'яті (РДП). Перший регістр використовується для зберігання адреси осередки ОП, з якої проводиться обмін даними, а другий містить власне дані обміну. Блок контролю та діагностики (ВКД) призначений для виявлення збоїв і відмов вузлів ЦП, відновлення роботи поточної програми після збоїв і локалізації несправностей при відмовах.

З урахуванням сказаного уявімо загальну схему виконання програм процесором. Виконання програми, що знаходиться в ОП, починається з того, що в СК засилається адресу першої її команди, вміст СК пересилається в РАП і в ОП посилається сигнал управління зчитуванням. Через деякий час (відповідне часу доступу до ОП) адресується слово (в даному випадку перша команда програми) витягується з ОП і завантажується в РДП, потім вміст РДП пересилається в СК. На цій стадії команда готова для декодування її УУ і виконання. Якщо команда містить операцію, яка повинна бути виконана АЛУ, то необхідно отримати необхідні операнди. Якщо операнд знаходиться в ОП (а він може бути також в УР), його необхідно вибрати з пам'яті. Для цього в РАП пересилається адреса операнда і починається цикл читання Операнд, обраний з пам'яті в РДП, може бути переданий в АЛУ. Вибравши таким чином один або кілька операндов, АЛУ може виконати необхідну операцію, зберігши її результат в одному з РОН. Якщо результат операції необхідно запам'ятати в ОП, він повинен бути посланий в РДП Адреса осередки, в яку необхідно помістити результат, пересилається в РАП і починається цикл записи. Тим часом вміст СК збільшується, вказуючи наступну команду, яка повинна виконуватися. Таким чином, як тільки завершиться виконання поточної команди, може відразу ж початися вибірка на виконання наступної команди програми.

Крім передачі даних між ОП і ЦП необхідно забезпечити обмін даними з ВУ, що роблять машинні команди, що управляють введенням / висновком. Природний порядок виконання програм може порушуватися при надходженні сигналу переривання. Переривання є вимогою на обслуговування, яке здійснюється ЦП, які виконують відповідну програму обробки переривання (ПОП). Так як переривання і його обробка можуть змінити внутрішній стан ЦП, то воно зберігається в ОП перед початком роботи ПОП. Збереження стану досягається пересиланням вмісту РК, УР і деякої керуючої інформації в ОП. Після завершення ПОП стан ЦП відновлюється, дозволяючи продовжити виконання перерваної програми.