Лекция 3. Системный интерфейс и архитектура системной платы

1. Материнская плата

Материнская плата (Motherboard) — основной компонент каждого ПК. На- зывается главной (Mainboard), или системной, платой. Это самостоятельный эле- мент, который управляет внутренними связями и взаимодействует с внешними устройствами. Материнская плата является основным элементом внутри ПК, влияющим на производительность компьютера в целом.

Современные платы исполняются на основе чипсетов (Chipset) - наборов из нескольких БИС, реализующих все необходимые функции связи основных компо- нентов - процессора, памяти и шин расширения. Чипсет определяет возможности применения различных типов процессоров, основной и кэш-памяти и ряд других характеристик системы, определяющих возможности ее модернизации. Его тип существенно влияет и на производительность - при одинаковых установленных компонентах производительность компьютеров, собранных на разных системных платах -читай, чипсетах, - может отличаться на 30%.

Современные чипсеты обеспечивают совместимость устанавливаемых на сис- темную плату модулей и позволяют выполнять автоматическую идентификацию типов установленных компонент, а в некоторых случаях и быстродействие (на- пример ОЗУ).

На рисунке 8 представлена структура типовой материнской платы:

• процессор, установленный в специальный разъем и охлаждаемый радиато- ром с вентилятором;

• микросхемы кэш-памяти второго уровня (внешней). В современных процес- сорах эти микросхемы устанавливаются на плату картриджа центрального процес- сора;

• слоты для установки модулей оперативной памяти;

• слоты для установки карт расширения. Как правило, на материнских платах имеются разъемы для карт стандарта ISA и PCI. Современные модели материн- ских плат оборудованы дополнительно слотом AGP. Наличие слотов и возмож- ность установки в них любых карт расширения (видеоадаптера, звуковой карты, модема, карты АЦП и других) определяет открытую архитектуру ПК;

• микросхема перепрограммируемой памяти, в которой хранятся программы BIOS, программы тестирования ПК, загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки;

• разъемы для подключения накопителей HDD, FDD.

Все компоненты материнской платы связаны между собой системой провод- ников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эту совокупность линий называют информационной шиной, или просто шиной (Bus).

Взаимодействие между компонентами и устройствами ПК, подключенными к разным шинам, осуществляется с помощью так называемых мостов, реализован- ных на одной из микросхем Chipset. Например, на рисунке структуры типовой системной платы мост для соединения шины ISA и PCI реализован в микросхеме 82371АВ.

Размеры материнской платы, а также отверстия внутри платы, которые со- единяют ее с дном корпуса, стандартизованы.

Поскольку быстродействие различных компонентов (процессора, памяти, адаптеров для шин ISA, EISA, VLB, PCI) существенно различается, в компьютерах на процессорах класса 486 и старше применяется деление опорной частоты для синхронизации шин ввода/вывода и внутреннее умножение частоты в процессо- рах. Различают следующие частоты:

- Host Bus Clock - частота системной шины (внешняя частота шины процес- сора). Эта частота является опорной для всех других.

- CPU Clock, или Core Speed - внутренняя частота процессора, на которой работает его вычислительное ядро. Современные технологии позволили существенно повысить предельные частоты интегральных компонентов, в связи с чем широко применяется внутреннее умножение частоты на 1,5, 2,2,5, 3,3,5, 4 и некоторые другие значения.

- PCI Bus Clock - частота шины PCI, которая должна составлять 25-33,3 МГц (спецификация PCI-2.1 допускает частоту до 66,6 МГц). Она обеспечива- ется делением Host Bus Clock на 2 (реже на 3).

- VLB Bus Clock - частота шины VLB, определяемая аналогично PCI Bus Clock. Платы с шиной VLB обычно имеют джампер, переключаемый в зависимо- сти от того, превышает ли системная частота значение 33,3 МГц.

— ISA Bus Clock, или A TCLK - частота шины ISA, которая должна быть близ- ка к 8 МГц. Она обычно задается в BIOS Setup через коэффициент деления сис- темной частоты.

2. Система шин

Шиной (Bus) называется вся совокупность линий (проводников на материн- ской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устрой- ствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. На ри- сунке 9 дана система шины.

Рисунок 9 – Система шин

Шина имеет места для подключения внешних устройств — слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Cipsct для пе- ресылки данных к CPU и обратно;

• шина кэш-памяти предназначена для обмена данными между CPU и кэш- памятью;

• шина памяти используется для обмена данными между оперативной памя- тью RAM и CPU;

• шины ввода/вывода данных подразделяются на стандартные и локальные.

Локальная шина ввода/вывода — это скоростная шина, предназначенная для обмена данными между быстродействующими периферийными устройствами (ви- деоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной под управлением CPU. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI. Для ускорения ввода/вывода видеоданных и повышения производи- тельности ПК при обработке трехмерных изображении корпорацией Intel была разработана шина AGP(Accelerated Graphics Port}.

Стандартная тина ввода/вывода используется для подключения к перечислен- ным выше шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, мо- демов, старых звуковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины ис- пользовалась шина стандарта ISA. В настоящее время — шина USB.

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовать важней- шие се свойства — возможность параллельного подключения практически неог- раниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена данными между ни- ми. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

• линии для обмена данными (шина данных);

• линии для адресации данных (шина адреса);

• линии управления данными (шина управления);

• контроллер шины.

Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы ли- бо в виде совместимого набора микросхем — Chipset.

Шина данных обеспечивает обмен данными между CPU, картами расшире- ния, установленными в слоты, и памятью RAM. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производитель- ность ПК.Компьютеры с процессором 80286 имели 16-разрядную шину данных, с CPU 80386 и 80486 — 32-разрядную, а компьютеры с CPU семейства Pentium — 64-разрядную шину данных.

Шина адреса служит для указания адреса к какому-либо устройству ПК, с ко- торым CPU производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый регистр ввода/вывода и ячейка RAM (оперативная память) имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство PC. По шине адреса передается идентификационный код (адрес) отправителя и (или) получателя данных.

Шина управления передает ряд служебных сигналов: записи/считывания, го- товности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и других, чтобы обеспечить передачу данных.

3. Центральный процессор

Центральный процессор– это устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.

Физически микропроцессорпредставляет собой интегральную схему— тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реали- зующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пла- стмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводка-

Подробнее рисунок 11:

из основной памяти в основную память

АЛУ – арифметико-логическое устройство УУ – устройство управления

БУР – блок управления регистров БСОП – блок связи с основной памятью БРП – блок регистровой памяти

ОП – основная память (ПЗУ или ОЗУ, L2 кэш)

Рисунок 11 – Структура ЦП

· устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки компьютера в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляю- щие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и ре- зультатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, исполь- зуемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

· арифметико-логическое устройство (АЛУ)- предназначено для выполне- ния всех арифметических и логических операций над числовой и символь- ной информацией;

· БУР предназначен для временного хранения обрабатываемой информации и представляет собой местную сверхбыстродействующую память (СОЗУ). Микропроцессорная память (МПП)- служит для кратковременного хране- ния, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычис- лениях в ближайшие такты работы компьютера. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстро- действующего микропроцессора;

· интерфейсная система микропроцессора (БСОП) - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода- вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) - система средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффектив- ное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O ≈ Input/Output port) - аппарату- ра сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое уст- ройство ПК.

· Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность элек- трических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет такто- вую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы компьютера.

К основным характеристикам процессора относятся:

Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.

Тактовая частота в МГц. Тактовая частота равна количеству тактов в секун- ду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего. Тактовая частота отражает уровень промыш- ленной технологии, по которой изготавливался данный процессор. Она также ха- рактеризирует и компьютер, поэтому по названию модели микропроцессора мож-

но составить достаточно полное представление о том, к какому классу принадле- жит компьютер. Поэтому часто компьютерам дают имена микропроцессоров, вхо- дящих в их состав. Частота генератора тактовых импульсов является одной из ос- новных характеристик компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в компьютере выполняется за определенное количество так- тов

Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, ко- торые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разряд- ность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные.

Ядро- это как бы версия (вариант) процессора. Процессоры с разными ядра- ми, это можно сказать разные процессоры. Разные ядра отличаются по размеру кэш-памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. п. Чем новее ядро, тем лучше процессор разгоняется. В качестве примера можно привести Pentium 4, ко- торый имеет (на данный момент) два ядра Willamette и Northwood. Первое ядро производилось по 0.18 мкм технологии и работало исключительно на 400Mhz ши- не. Самые младшие модели имели частоту 1.3Ghz, максимальные частоты для яд- ра находились немного выше 2Ghz. Своими разгонными качествами эти процессо- ры особо не славились. Позже был выпущен Northwood. Он уже был выполнен по 0.13мкм технологии и поддерживал шину в 400 и 533Mhz, а также имел увеличен- ный объём кэш-памяти. Переход на новое ядро позволил значительно увеличить производительность и максимальную частоту. Младшие процессоры Northwood с частотой 1.6Ghz прекрасно разгоняются. Из данного примера можно делать для себя вывод, что это разные процессоры.

В рамках одной и той же архитектуры различные процессоры могут достаточно сильно отличаться друг от друга. И различия эти воплощаются в разнообразных процессорных ядрах, обладающих определенным набором строго обусловленных характеристик. Чаще всего эти отличия воплощаются в различных частотах сис- темной шины, размерах кэша второго уровня, поддержке тех или иных новых сис- тем команд или технологических процессах, по которым изготавливаются процес- соры. Нередко смена ядра в одном и том же семействе процессоров влечет за со-

бой замену процессорного разъема, из чего вытекают вопросы дальнейшей со- вместимости материнских плат. Однако в процессе совершенствования ядра, про- изводителям приходится вносить в него незначительные изменения. Такие изме- нения называются ревизиями ядраи, чаще всего, обозначаются цифробуквенны- ми комбинациями. Однако в новых ревизиях одного и того же ядра могут встре- чаться достаточно заметные нововведения. Так, компания Intel ввела поддержку 64-битной архитектуры EM64T в отдельные процессоры семейства Pentium 4 именно в процессе изменения ревизии.

Лекция 4. Память

Основная память (ОП).Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера. ОП содержит два вида за- поминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и опера- тивное запоминающее устройство (ОЗУ).

1 Оперативная память

Оперативная память,или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначено для приема, хранения и выдачи информации и представляет собой самую быстродействующую запоминающую систему компьютера. Оперативная намять обозначается RAM (Random Access Memory— намять с Произвольным дос- тупом). Процессор имеет возможность выполнять программы только после того, как они загружены в оперативную рабочую память, т.е. и память, доступную для программ пользователя. CPU имеет непосредственный доступ к данным, находя- щимся в оперативной памяти, а к внешней памяти (на гибких или жестких дисках)

— через буфер, являющийся также разновидностью оперативной памяти. Работа программ, загруженных с внешнего носителя, возможна только после того, как она будет скопирована в RAM.

Однако оперативная намять имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что она временная, т.е. при отключении питания оперативная память полно- стью очищается. При этом данные, не записанные на внешний носитель, будут утеряны. Основная задача RAM — предоставлять необходимую информацию к виде двоичных колов по запросам CPU, т.е. данные в любой момент должны быть доступны для обработки.

Существует два типа ОЗУ: статическое и динамическое. Статическое ОЗУ (Static RAM, SRAM) конструируется с использованием D-триггеров. Информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени, пока к нему подается питание: секун- ды, минуты, часы и даже дни. Статическое ОЗУ работает очень быстро. Обычно время доступа составляет несколько наносекунд. По этой причине статическое ОЗУ часто используется в качестве кэш-памяти второго уровня.

В динамическом ОЗУ (Dynamic RAM, DRAM), напротив, триггеры не использу- ются. Динамическое ОЗУ представляет собой массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Конденсаторы могут быть заря- женными и разряженными, что позволяет хранить нули и единицы. Поскольку электрический заряд имеет тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен обновляться (перезаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы пре- дотвратить утечку данных. Поскольку об обновлении должна заботиться внешняя логика, динамическое ОЗУ требует более сложного сопряжения, чем статическое, хотя этот недостаток компенсируется большим объемом.

Поскольку динамическому ОЗУ нужен только 1 транзистор и 1 конденсатор на бит (статическому ОЗУ требуется в лучшем случае 6 транзисторов на бит), динамиче- ское ОЗУ имеет очень высокую плотность записи (много битов на одну микросхе- му). По этой причине основная память почти всегда строится на основе динамиче- ских ОЗУ. Однако динамические ОЗУ работают очень медленно (время доступа занимает десятки наносекунд). Таким образом, сочетание кэш-памяти на основе статического ОЗУ и основной памяти на основе динамического ОЗУ соединяет в себе преимущества обоих устройств.

Конструктивно оперативная память выполняется и виде модулей микросхем, что позволяет дополнять объем оперативной памяти, которая используется не только в ПК, но и в самых разных периферийных устройствах — от видеокарт до лазерных принтеров. Микросхемы оперативной памяти и этом случае могут принадлежать к разным модификациям, но все они относятся к типу динамической оперативной памяти (DRAM).

Синхронные динамические ОЗУ(Synchronous DRAM, SDRAM). Синхронное динамическое ОЗУ управляется одним синхронизирующим сигналом. Данное уст- ройство представляет собой гибрид статического и динамического ОЗУ. Основное преимущество синхронного динамического ОЗУ состоит в том, что оно исключает зависимость микросхемы памяти от управляющих сигналов. ЦП сообщает памяти, сколько циклов следует выполнить, а затем запускает эти циклы. Каждый цикл на выходе дает 4, 8 или 16 бит в зависимости от количества выходных строк. Устра- нение зависимости от управляющих сигналов приводит к увеличению скорости передачи данных между ЦП и памятью.

Следующим этапом в развитии памяти SDRAM стала память DDR(Double Data Rate — передача данных с двойной скоростью).

DDR SDRAM(от англ. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоен- ной скоростью передачи данных) — тип компьютерной памяти используемой в вычислительной технике в качестве оперативной и видеопамяти. При использова- нии DDR SDRAM достигается удвоенная скорость работы, нежели в SDRAM, за счёт считывания команд и данных не только по фронту, как в SDRAM, но и по

спаду тактового сигнала. За счёт этого удваивается скорость передачи данных без увеличения частоты тактового сигнала шины памяти. Таким образом, при работе DDR на частоте 100 МГц мы получим эффективную частоту 200МГц (при сравне- нии с аналогом SDR SDRAM).

2 Постоянная память

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), или ROM (Read-Only Memory — постоянная память). ПЗУ служит для хранения неизменяемой (по- стоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию. Содержание памяти специальным об- разом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиату- рой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств. Данные записываются в ПЗУ в процессе производства. Для этого изготавливается трафарет с определенным набором битов, который на- кладывается на фоточувствительный материал, а затем открытые (или закрытые) части поверхности вытравливаются. Единственный способ изменить программу в ПЗУ — поменять всю микросхему.

Однако чтобы компаниям было проще разрабатывать новые устройства, осно- ванные на ПЗУ, были выпущены программируемые ПЗУ (Programmable ROM, PROM). В отличие от обычных ПЗУ, их можно программировать в условиях экс- плуатации, что позволяет сократить время выполнения заказа.

Следующая разработка этой линии — стираемое программируемое ПЗУ(Erasable PROM, EPROM), которое можно программировать в условиях эксплуа- тации, а также стирать с него информацию. Если кварцевое окно в данном ПЗУ подвергать воздействию сильного ультрафиолетового света в течение 15 минут, все биты установятся в 1. Если нужно сделать много изменений во время одного этапа проектирования, стираемые ПЗУ гораздо экономичнее, чем обычные про- граммируемые ПЗУ, поскольку их можно использовать многократно.

Следующий этап — электронно-перепрограммируемое ПЗУ(Electronically EPROM, EEPROM), с которого можно стирать информацию, не подвергая воздей- ствию ультрафиолетовых лучей. Кроме того, чтобы перепрограммировать данное устройство, его не нужно вставлять в специальный аппарат для программирова- ния, в отличие от стираемого программируемого ПЗУ.

Более современный тип электронно-перепрограммируемого ПЗУ — флэш- память. Перепрограммируемая постоянная память(Flash Memory) — энерго- независимая память. Важнейшая микросхема Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны — важный модуль любой операционной системы. BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ,

предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

Наиболее широко среди пользователей компьютеров известна BIOS материнской платы, но BIOS присутствуют почти у всех компонентов компьютера: у видео- адаптеров, сетевых адаптеров, модемов, дисковых контроллеров, принтеров. По своей сути BIOS является посредником между аппаратным и программным обес- печением компьютера.

Главная функция BIOS материнской платы — инициализация устройств, подклю- чённых к материнской плате, сразу после включения питания компьютера. BIOS проверяет работоспособность устройств (т. н. самотестирование, англ. POST — Power-On Self Test), задаёт низкоуровневые параметры их работы (например, час- тоту шины центрального микропроцессора), и после этого ищет загрузчик опера- ционной системы (англ. Boot Loader) на доступных носителях информации и пе- редаёт управление операционной системе. Операционная система по ходу работы может изменять большинство настроек, изначально заданных в BIOS. В некото- рых реализациях BIOS позволяет производить загрузку операционной системы через интерфейсы, изначально для этого не предназначенные, в том числе USB и IEEE 1394. Также возможна загрузка по сети (применяется, например, в т. н. «тон- ких клиентах»).

Также BIOS содержит минимальный набор сервисных функций (например, для вывода сообщений на экран или приёма символов с клавиатуры), что и обусловли- вает расшифровку её названия: Базовая система ввода-вывода.

В некоторых BIOS’ах реализуется дополнительная функциональность (например, воспроизведение аудио-CD или DVD-дисков), поддержка встроенной рабочей среды (например, интерпретатор языка Basic) и др.

В отличие от стираемого ПЗУ, которое стирается под воздействием ультрафиоле- товых лучей, и от электронно-перепрограммируемого ПЗУ, которое стирается по байтам, флэш-память стирается и записывается блоками.

3 Кэш-память

Процессоры всегда работали быстрее, чем память. Так как процессоры и память совершенствуются параллельно, это несоответствие сохраняется. На практике та- кое несоответствие в скорости работы приводит к тому, что, когда процессор об- ращается к памяти, проходит несколько машинных циклов, прежде чем он полу- чит запрошенное слово. Чем медленнее работает память, тем дольше процессору приходится ждать, тем больше циклов проходит.

КЭШ-память– это буферная, не доступная для пользователя быстродейст- вующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения опера- ций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих

устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организует- ся регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейках электронной памяти.

Принцип его действия основан на том, что простой (не работа) более быстро- го устройства сильно влияет на общую производительность (во-первых) и что скорее всего запрашиваются данные, сохраненные недавно (во-вторых). Поэтому между устройствами помещают буфер быстрой памяти (небольшой по сравнению со всеми хранимыми данными), что позволяет снизить потери быстрого устройст- ва, как на записи, так и на чтении.

Основная идея кэш-памяти проста: в ней находятся слова, которые чаще всего используются. Если процессору нужно какое-нибудь слово, сначала он обращает- ся к кэш-памяти. Только в том случае, если слова там нет, он обращается к основ- ной 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 пере- хода и вызова процедур) вызываются из последовательных областей памяти. Кро- ме 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.

Ситуация, когда при последовательных обращениях к памяти в течение неко- торого промежутка времени используется только небольшая ее область, называет- ся принципом локальности. Этот принцип составляет основу всех систем кэш- памяти. Идея состоит в том, что 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 иллюстрирует рисунок 12.

Рисунок 12 - Связь процессора, кэш-памяти и основной памяти

Если слово считывается или записывается k раз, компьютеру требуется сде- лать 1 обращение к медленной основной памяти и k - 1 обращений к быстрой кэш- памяти. Чем больше k, тем выше общая производительность.

Мы можем сделать и более строгие вычисления. Пусть с — время доступа к кэш-памяти, m — время доступа к основной памяти и h — коэффициент кэш- попаданий, который показывает соотношение числа обращений к кэш-памяти и общего числа всех обращений к памяти. В нашем примере h = (k - 1)/k.

Некоторые авторы выделяют коэффициент кэш-промахов, равный 1-h. Та- ким образом, мы можем вычислить среднее время доступа:

tдост = с + (1 - h)m

Если h → 1, то есть все обращения делаются только к кэш-памяти, то время доступа стремится к с. С другой стороны, если h → 0, то есть каждый раз нужно обращаться к основной памяти, то время доступа стремится к с + m: сначала тре- буется 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 памяти может начинаться параллельно с использованием кэш-памяти, чтобы в случае кэш-промаха цикл обращения к основной памяти уже начался. Од- нако эта стратегия требует способности останавливать процесс обращения к ос- новной памяти в случае кэш-попадания, что усложняет разработку подобного компьютера.

Основная память и кэш-память делятся на блоки фиксированного размера с учетом принципа локальности. Блоки внутри кэш-памяти обычно называют стро- ками кэша(cache lines). При кэш-промахе из основной памяти в кэш-память за- гружается вся строка, а не только необходимое слово. Например, если строка со- стоит из 64 байт, обращение к адресу 260 влечет за собой загрузку в кэш-память всей строки (байты с 256 по 319) на случай, если через некоторое время понадо- бятся другие слова из этой строки. Такой путь обращения к памяти более эффек- тивен, чем вызов каждого слова по отдельности, потому что однократный вызов k слов происходит гораздо быстрее, чем вызов одного слова k раз.

Кэш-память очень важна для высокопроизводительных процессоров. Однако здесь возникает ряд вопросов. Первый вопрос — объем кэш-памяти. Чем больше объем, тем лучше работает память, но тем дороже она стоит. Второй вопрос — размер строки кэша. Кэш-память объемом 16 Кбайт можно разделить на 1024 строки по 16 байт, 2048 строк по 8 байт и т. д. Третий вопрос — механизм орга- низации кэш-памяти, то есть то, как она определяет, какие именно слова нахо- дятся в ней в данный момент. Четвертый вопрос — должны ли команды и дан- ные находиться вместе в общей кэш-памяти. Проще всего разработать объеди- ненную кэш-память (unified cache), в которой будут храниться и данные и коман- ды. В этом случае вызов команд и данных автоматически уравновешивается.

Однако в настоящее время существует тенденция к использованию разделен- ной кэш-памяти (split cache), когда команды хранятся в одной кэш-памяти, а дан- ные — в другой. Такая архитектура также называется гарвардской(Harvard architecture), поскольку идея использования отдельной памяти для команд и от- дельной памяти для данных впервые воплотилась в компьютере Маге III, который был создан Говардом Айкеном (Howard Aiken) в Гарварде. Современные разра- ботчики пошли по этому пути, поскольку сейчас широко распространены конвей- ерные архитектуры, а при конвейерной 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 программы, содер- жание кэша команд 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.

Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, ана- лизируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.

4 Внешняя память

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потре- боваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все про- граммное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные ви- ды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД).

Магнитные диски.

Магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых поверхностей, в настоящее время компания IBM делает их из стекла, покрытых магнитным слоем. Изначально их диаметр составлял 50 см, сейчас — от 3 до 12 см, у портативных компьютеров — меньше 3 см, причем это значение продолжает уменьшаться. Го- ловка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Когда головка проходит над намагни- ченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Поскольку диск вращается под головкой, поток битов может записываться, а потом считываться. Конфигурация дорожки диска показана на рисунке 13.

Дорожкойназывается круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. Перед данными располагается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться перед чте- нием или записью. После данных идет код исправления ошибок (Error-Correcting Code, ECC), позволяющий исправлять множественные ошибки. Между соседними

секторами находится межсекторный интервал. Емкость форматированного диска обычно на 15 % меньше емкости неформатированного, на нем учитываются пре- амбулы, ЕСС-коды и межсекторные интервалы. У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск. На разных расстояниях от оси запи- сываются разные дорожки. Таким образом, дорожки представляют собой ряд кон- центрических кругов, расположенных вокруг шпинделя. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемещения. На сегодняшний момент дис- ки имеют от 5000 до 10 000 дорожек на см, то есть ширина каждой дорожки со- ставляет от 1 до 2 микрон.

Следует отметить, что дорожка — это не углубление на поверхности диска, а про- сто кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек не- большими пограничными областями. Плотность записи битов на концентрических дорожках различается в зависимости от расстояния от центра диска и зависит главным образом от качества поверхности диска и чистоты воздуха.

Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воздуха, диски герметично закрываются. Такие диски называются винчестерами.

Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположенных друг под другом, как показано на рисунке 14.

Каждая поверхность снабжена кронштейном и головкой. Кронштейны скреплены таким образом, что одновременно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, на- зывается цилиндром.

Диски CD-ROM.

Компакт-диск изготавливается с использованием очень мощного инфракрасного лазера, кото