Архитектура электронно-вычислительных машин

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Факультет заочного и послевузовского обучения

Контрольная работа № 1

по дисциплине «Архитектура ЭВМ»

Архитектура электронно-вычислительных машин

 

Выполнил студент: Карсканов Д.Г.

Адрес: Воронежская обл.,г.Бутурлиновка,

ул. Фадеева 20.

Группа: Исз054(у)

Курс: 2 Шифр: 1051284

Проверил преподаватель: Минакова О.В.

Воронеж, 2006г

Содержание

Введение

1. Виды КЭШ-памяти, ее назначение. Современные и перспективные виды оперативной памяти.

2. Организация и виды прерываний.

3. Сканеры.

Заключение.

Литература

 

Введение

Электронно-вычислительные машины (ЭВМ), или, как их теперь чаще называют, компьютеры, - одно из самых удивительных творений человека. В узком смысле ЭВМ - это приспособления, выполняющие разного рода вычисления или облегчающие этот процесс. Простейшие устройства, служащие подобным целям, появились в глубокой древности, несколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно эволюционировали, непрерывно совершенствуясь. Однако только в 40-е годы нашего столетия было положено начало созданию компьютеров современной архитектуры и с современной логикой. Именно эти годы можно по праву считать временем рождения современных (естественно, электронных ) вычислительных машин.

Персональный компьютер (ПК) - это не один электронный аппарат, а небольшой комплекс взаимосвязанных устройств, каждое из которых выполняет определенные функции. Часто употребляемый термин “конфигурация ПК” означает, что конкретный компьютер может работать с разным набором внешних (или периферийных) устройств, например, с принтером, модемом, сканером и т.д.

Эффективность использования ПК в большой степени определяется количеством и типами внешних устройств, которые могут применяться в его составе. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с ПК. Широкая номенклатура внешних устройств, разнообразие их технико-эксплуатационных и экономических характеристик дают возможность пользователю выбрать такие конфигурации ПК, которые в наибольший степени соответствуют его потребностям и обеспечивают рациональное решение его задачи.

Конструктивно каждая модель ПК имеет так называемый “базовый набор” внешних устройств, т.е. такой набор компонентов, дальнейшие уменьшение которого приведет к нецелесообразности использования компьютера для конкретной работы или даже полной бессмысленности работы с ним. Этот набор можно увидеть практически везде, где используют компьютер, в него входят:

- системный блок (плюс дисковод или винчестер, вмонтированный в корпус);

- монитор;

- клавиатура.

Все вышеперечисленное составляет “базовую конфигурацию” данной модели. Различают также понятие “обязательной конфигурации” ПК, которая означает необходимый набор компонентов для работы с конкретным программным продуктом.

 

1. Виды КЭШ-памяти, ее назначение. Современные и перспективные виды оперативной памяти

 

Кеш (англ. cache), или сверхоперативная память— очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. </TBODY>

Кэш-памятью управляет специальное устройство - контролёр который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM.

Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8–16 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт до 256 Кбайт и выше.

Регистровая кэш-память. Регистровая КЭШ-память - высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя.

В КЭШ-памяти хранятся данные, которые МП получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. По принципу записи результатов различают два типа КЭШ-памяти:

КЭШ-память "с обратной записью" - результаты операций прежде, чем их записать в ОП, фиксируются в КЭШ-памяти, а затем контроллер КЭШ-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

КЭШ-память "со сквозной записью" - результаты операций одновременно, параллельно записываются и в КЭШ-память, и в ОП.

Микропроцессоры начиная от МП 80486 имеют свою встроенную КЭШ-память (или КЭШ-память 1-го уровня). Микропроцессоры Pentium имеют КЭШ-память отдельно для данных и отдельно для команд.

Для всех МП может использоваться дополнительная КЭШ-память (КЭШ-память 2-го уровня), размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов.

Оперативная память может строиться на микросхемах динамического (Dinamic Random Access Memory - DRAM) или статического (Static Random Access Memory - SRAM) типа. Статический тип памяти обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже динамического. Для регистровой памяти(МПП и КЭШ-память) используются SRAM, а ОЗУ основной памяти строится на базе DRAM-микросхем.

Кэширование оперативной памяти. Статическая память, построенная на триггерных ячейках, по своей природе способна догонять современные процессоры по быстродействию и избегать тактов ожидания. Реализация основной памяти на микросхемах SRAM технически и экономически не оправдана, поскольку плотность упаковки информации у них существенно ниже, а удельная стоимость хранения и энергопотребление существенно выше, чем у DRAM. Разумным компромиссом для построения систем является иерархический способ построения ОП. Идея этого способа заключается в сочетании основной памяти большого объема на DRAM с относительно небольшой кэш-памятью на быстродействующих микросхемах SRAM.

Кэш является дополнительным и быстродействующим хранилищем копий блоков информации основной памяти, к которым, вероятно, в ближайшее время будет обращение. Кэш не может хранить копию всей основной памяти.

При каждом обращении к кэшируемой памяти контроллер кэш-памяти по каталогу проверяет, есть ли действительная копия затребованных данных в КЭШе. Если она там есть, то это случай кэш-попадания и обращение за данными происходит только к кэш-памяти. Если действительной копии там нет, то это случай кэш-промаха и данные берутся из основной памяти. В соответствии с алгоритмом кэширования блок данных, считанный из основной памяти при определенных условиях, заместит один из блоков КЭШа.

В современных компьютерах кэш обычно строится по двухуровневой схеме. Первичный кэш (L1) встроен во все процессоры класса 486 и старше. Его объем 8-32 Кбайт. Он работает на внутренней тактовой частоте процессора. Вторичный кэш (L2) обычно устанавливается на системной плате. В Pentium синхронный кэш L2 расположен в одном корпусе с процессором и работает на его внутренней частоте.

Кэш-контроллер должен обеспечивать когерентность – согласованность данных кэш-памяти обоих уровней с данными в основной памяти.

Контроллер КЭШа оперирует строками фиксированной длины. Строка может хранить копию блока основной памяти, размер которого совпадает с длиной строки. С каждой строкой КЭШа связана информация об адресе скопированного в ней блока основной памяти, и признаки ее состояния. Строка может быть действительной, – это означает, что в текущий момент времени она достоверно отражает соответствующий блок основной памяти, или недействительной.

Возможен вариант секторированного КЭШа, при котором одна строка содержит несколько смежных ячеек – секторов, размер которых соответствует минимальной порции обмена данных КЭШа с основной памятью. При этом в записи каталога, соответствующей каждой строке, должны храниться биты действительности для каждого сектора данной строки. Секторирование позволяет экономить память, необходимую для хранения каталога при увеличении объема КЭШа Запись блока, не имеющего копии в КЭШе, производится только в основную память.

Существует два основных алгоритма записи данных из КЭШа в основную память: сквозная запись WT (Write Through) и обратная запись WB (Write Back).

Алгоритм WT предусматривает выполнение каждой операции записи (даже однобайтной), попадающей в кэшированный блок, одновременно и в строку КЭШа и в основную память. При этом процессору при каждой операции записи придется ожидать окончания относительно длительной записи в основную память.

Алгоритм WB позволяет уменьшить количество операций записи на шине основной памяти. Если блок памяти, в который должна производиться запись, отображен и в КЭШе, то физическая запись сначала будет произведена в эту действительную строку КЭШа, и она будет отмечена как грязная, или модифицированная, т.е. требующая выгрузки в основную память. Только после этой выгрузки строка станет чистой, и ее можно будет использовать для кэширования других блоков без потери целостности данных. В основную память данные переписываются только целой строкой или непосредственно перед ее замещением в КЭШе новыми данными.

В зависимости от способа определения взаимного соответствия строки КЭШа и области основной памяти различают три архитектуры кэш-памяти:

·     кэш прямого отображения;

·     полностью ассоциативный кэш;

·     частично или наборно-ассоциативный кэш.

Кэш прямого отображения.В кэш-памяти прямого отображения адрес памяти, по которому происходит обращение, однозначно определяет строку, в которой может находиться отображение требуемого блока.

Кэшируемая основная память условно разбивается на страницы, размер которых совпадает с размером кэш-памяти. Кэш-память делится на строки. Архитектура прямого отображения подразумевает, что каждая строка КЭШа может отображать из любой страницы кэшируемой памяти только соответствующею ей строку.

Наборно-ассоциативный кэш. Наборно-ассоциативная архитектура КЭШа позволяет каждому блоку кэшируемой памяти претендовать на одну из нескольких строк КЭШа, объединенных в набор.

Ассоциативный кэш.В отличии от предыдущих, у полностью ассоциативного КЭШа любая его строка может отображать любой блок памяти, что существенно повышает эффективность использования его ограниченного объема. При этом все биты адреса кэшированного блока за вычетом бит, определяющих положение (смещение) данных в строке, хранятся в памяти тегов. В такой архитектуре для определения наличия затребованных данных в кэш-памяти требуется сравнение со старшей частью адреса тегов всех строк, а ни одной или нескольких, как при прямом.

Резкое повышение быстродействия процессоров и переход на 32-разрядные многозадачные операционные системы существенно поднимают требования и к другим компонентам компьютера. Важнейшим из них является оперативная память. Возрастание внешних тактовых частот процессоров с 33-40 МГц, характерных для семейства 486 (486DX2-66/80 и 486DX4-100/120), до 50-66 МГц для Pentium (Pentium 75/90/100/120/133), требует прежде всего адекватного увеличения быстродействия подсистемы памяти. Поскольку в качестве оперативной используется относительно медленная динамическая память Dram (Dynamic Random Access Memory), главный способ увеличения пропускной способности основан на применении кэш-памяти. Кроме встроенной в процессор кэш-памяти первого уровня применяется и кэш-память второго уровня (внешняя), построенная на более быстродействующих, чем Dram, микросхемах статической памяти SRAM (Static Ram). Для высоких тактовых частот нужно увеличивать быстродействие SRAM. Кроме того, в многозадачном режиме эффективность работы кэш-памяти также может снижаться. Поэтому актуальной становится задача не только увеличения быстродействия кэш-памяти, но и ускорения непосредственного доступа к динамической памяти. Для решения этих проблем начинают использоваться новые типы статической и динамической памяти.Требования к объемам памяти диктуются программным обеспечением. При использовании Windows оценить необходимое количество памяти можно на основе тестов Winstone, использующих наиболее популярные приложения Windows.

 

Статическая память

В качестве кэш-памяти второго уровня практически всегда применялась (и до сих пор продолжает широко применяться) стандартная асинхронная память SRAM. При внешних тактовых частотах порядка 33 МГц хорошие результаты давала статическая память со временем выборки 15-20 нс. Для эффективной работы на частотах выше 50 МГц такого быстродействия уже недостаточно. Прямое уменьшение времени выборки до нужных величин (12-8 нс) обходится дорого, так как требует зачастую применения дорогой технологии Bi-CMOS вместо CMOS, что неприемлемо для массового рынка. Поэтому предлагаемое решение заключается в применении новых типов памяти с усовершенствованной архитектурой, которые первоначально были разработаны для мощных рабочих станций. Наиболее перспективна синхронная SRAM. В отличие от обычной асинхронной, она может использовать те же тактовые сигналы, что и остальная система, поэтому и называется синхронной. Она снабжена дополнительными регистрами для хранения информации, что освобождает остальные элементы для подготовки к следующему циклу еще до того, как завершился предыдущий. Быстродействие памяти при этом увеличивается примерно на 20%. Эффективную работу на самых высоких частотах может обеспечить особая разновидность синхронной SRAM с конвейерной организацией (pipelined burst). При ее применении уменьшается число циклов, требующихся для обращения к памяти в групповом режиме.

 

Динамическая память

Так же, как и для статической памяти, прямое сокращение времени выборки для динамической памяти достаточно трудно технически осуществимо и приводит к резкому росту стоимости. Поэтому ориентация в новых системах идет на микросхемы со временем выборки 60-70 нс. Стандартные микросхемы Dram имеют страничную организацию памяти Fast Page Mode (FPM), которая позволяет значительно ускорить доступ к последовательно расположенным (в пределах страницы) данным по сравнению со случаем произвольной выборки. Поскольку обращения к последовательно расположенным данным в реальных задачах встречаются очень часто, применение FPM Dram заметно повышает производительность. FPM Dram со временем выборки 60-70 нс обеспечивает необходимые характеристики для тактовых частот 33-40 МГц. При повышении тактовой частоты обеспечить надежное и быстрое считывание данных в страничном режиме уже не удается. Эту проблему в значительной степени решает применение памяти нового типа - EDO Dram (Extended Data Output Dram). От обычной памяти со страничной организацией она отличается наличием дополнительных регистров для хранения выходных данных. Увеличивается время, в течение которого данные хранятся на выходе микросхемы, что делает выходную информацию доступной для надежного считывания процессором даже при высоких тактовых частотах (фактически время между обращениями в страничном режиме можно уменьшить до 30 нс по сравнению с 45 нс для FPM).

Радикальный, но не общепризнанный подход к повышению быстродействия динамической памяти заключается во встраивании в микросхемы Dram собственной кэш-памяти. Это Cached Dram (CDRAM) и Enhanced Dram (EDRAM). Память CDRAM выпускается фирмой Mitsubishi и имеет 16 KB кэш-памяти как на 4, так и на 16 Mbit кристалле, обмен между динамической и встроенной кэш-памятью осуществляется словами шириной 128 разрядов.

Вообще говоря, применение новых типов динамической памяти позволяет получать высокую производительность даже и без применения кэш-памяти второго уровня (если кэш-память первого уровня типа write back), особенно в случае CDRAM и Enhanced Dram, которые именно так и используются. Однако подавляющее большинство систем для достижения максимальной производительности строится все-таки с использованием кэш-памяти второго уровня. Для них наиболее подходит память типа EDO Dram. К тому же она стала уже промышленным стандартом, и ее доля будет преобладать в микросхемах памяти емкостью 16 Mbit и более. Фактически эта память приходит на смену стандартной FPM Dram и ее можно применять в любых системах вместо стандартной.

 

Конструктив

Несмотря на то, что наиболее популярным конструктивом для динамической памяти по прежнему остается SIMM (Single In-line Memory Module), начинают применяться и другие стандарты. Возникновение новых стандартов вызвано необходимостью решения двух основных проблем. Первая связана с увеличением плотности упаковки элементов памяти, особенно актуальной для рабочих станций, использующих память очень большого объема, и мобильных систем. Вторая с обеспечением устойчивой работы при высоких частотах, которая зависит от размеров, емкости и индуктивности соединителя. Большую по сравнению с SIMM плотность упаковки и, соответственно, объем памяти могут обеспечить модули типа DIMM (Dual In-line Memory Module), у которых, в отличие от SIMM, контакты на обеих сторонах модуля не объединены, а могут использоваться независимо.

Микросхемы стандартной статической памяти в основном выпускаются в корпусах типа Dip и SOJ. Память типа pipelined burst либо запаивается на системную плату сразу в процессе ее изготовления, либо поставляется в виде модулей.