Návrat na detail prednášky / Stiahnuť prednášku / Technická Univerzita Košice / Fakulta Elektrotechniky a Informatiky / Počítače a algoritmizácia

prednáška 9 (9_pr.doc)

9. Pamäťový podsystém PC

● Pamäťový podsystém počítača – slúži na uloženie programu a údajov, kt. sa práve používajú, k ako aj na ich archiváciu

9.1. Hierarchická organizácia pamäťového podsystému  PC

● pamäťové prostriedky počítača je možné rozdeliť do niekoľkých úrovní, kt. sa líšia spôsobom použitia v procese spracovania informácií.

● jednotlivé úrovne majú rozdielnu kapacitu a operačnú rýchlosť;

Vonkajšie pamäte

(diskové a archívne pamäte)

Operačná pamäť

(Hlavná pamäť)

vyrovnávacia pamäť

(cache)

Mikroprocesorové pamäte

(Registre procesora)

GB

MB

MB

kB

B

kB

Obr.9.1. Hierarchická organizácia pamäťového podsystému počítača

Kapacita

Vybavovací

čas

+

+

-

-

ms→s

desiatky ns

jednotky ns

jednotky ns

jednotky ns

Charakteristika jednotlivých úrovní

● registre procesora → sa nachádzajú na čipe procesora. Slúžia na prechodné uchovanie informácií počas ich spracovania v procesore.

● registre → sú najrýchlejšie zo všetkých častí pamäťového podsystému → majú najkratšiu DOBU PRÍSTUPU.

DOBA PRÍSTUPU → rozumieme čas, kt. uplynie od nastavenia požiadavky na pamäť (register) po poskytnutie požadovaného údaja (~jednotky nanosekúnd).

● Hlavná (operačná) pamäť → obsahuje práve vykonávaný program a spracúvané údaje. (nedosahuje rýchlosť registrov)

Kapacita pamäte → sa rozumie množstvo informácií kt. je schopná pamäť uchovať.

● Hlavná pamäť je realizovaná ako samostatný funkčný blok, kt. sa skladá z jedného alebo niekoľkých integrovaných obvodov.

● Hlavná pamäť je vzdialená od μP → väčšia doba prístupu

● Hlavná pamäť je realizovaná → dynamickými pamäťami, kt. majú pri nízkej spotrebe energie veľkú kapacitu. Doba prístupu hl. pamäte je rádovo desiatky ns.

Kapacita hl. p. <jednotky MB ÷ niekoľko GB>

● Vonkajšie pamäti → slúžia na uchovanie informácií, kt. sa momentálne nepoužívajú a na archiváciu informácií.

Na rozdiel od hl. pamäte, k vonkajším pamätiam μP pristupuje ako ku vstupno/výstupným zariadeniam (HDD, CD-ROM, diskety,...)

Doba prístupu – je rôzna, záleží od typu vonkajších, (pevné disky majú dobu prístupu jednotky ms a ich kapacita ~ niekoľko GB).

● Vyrovnávacia pamäť (Cache) – slúži na preklenutie rádového rozdielu medzi prístupovou dobou registrov procesora a hlavnej pamäte.

VP- je rýchla pamäť (rádovo menšej kapacity ako hl. pamäť, umiestnená medzi procesor a hl. pamäť.)

● Do VP sa presunie časť obsahu hlavnej pamäte a procesor sprístupňuje informácie z vyrovnávacej pamäte vyššou rýchlosťou.

● VP riadi riadiaci obvod (vlastný), kt. zabezpečuje:

→ presun požadovaných informácií z hl. pamäte do VP,

→ rieši situáciu, keď μP modifikoval údaj vo VP a túto zmenu je nutné vykonať aj v hl. pamäti.

Kapacita VP → desiatky ~ stovky kilobajtov (kB)

Doba prístupu →  je nanosekundy (ns).

Vyrovnávacia pamäť môže byť umiestnená na čipe μP (Pentium) s kapacitou 16kB, aj v tomto prípade má PC realizovanú externú vyrovnávaciu pamäť s väčšou kapacitou → ide o dvojúrovňovej vyrovnávacej pamäti.

Poz. Aj rôzne periférne zariadenia (tlačiareň, pevný disk) môžu mať vlastnú vyrovnávaciu pamäť → táto nesúvisí s vyššie uvedenou org. pamäť. podsyst.

9.2. Rozdelenie pamätí

Podľa spôsobu prístupu k informáciám:

● Pamäti s náhodným prístupom (RAM – Random Access Memory) – doba prístupu pre jednotlivé bunky je rovnaká, nezáleží od ich umiestnenia v pamäti (v PC-hl. pamäť von Neuman. typu)

Pamäte so sekvenčným prístupom → adresované miesto sa sprístupní až po prehľadaní predošlých buniek; doba prístupu záleží od umiestnenia adresovanej bunky v pamäti (napr. disková pamäť)

Pamäte adresované obsahom (CAM – Content Access Memory) – sprístupnenie pamäťového miesta sa pri asociatívnej pamäti uskutočňuje nie na základe adresy, ale porovnaním všetkých buniek s tzv. výberovým kľúčom, (data-flow počítače).

Podľa možnosti čítania a zápisu:

● Pamäti pre čítanie a zápis (RWM – Read/write Memory), → činnosti kedykoľvek zapísať a kedykoľvek čítať.

RWM – napr. hlavná pamäť počítača.

Obsah pamäte sa po vypnutí napájacieho napätia vymaže.

● Pamäti iba pre čítanie (ROM – Read Only Memory) → z pamäte ROM sa informácia dá iba čítať.

Prvotný zápis informácie sa vykoná pri výrobe pamäte, alebo si ju naprogramuje užívateľ. Pamäte ROM uchovávajú svoj obsah aj po vypnutí napätia.

9.3. Hlavná pamäť počítača

Obsahuje práve vykonávaný program a spracúvané údaje. Je to pamäť s náhodným prístupom (RAM) a skladá sa z dvoch častí, z kt. jedna je typu ROM a druhá RWM.

Z hľadiska fyzickej realizácie je hlavná pamäť vytvorená z polovodičových pamätí.

Polovodičové pamäti typu RWM → sú realizované na polovodičovom čipe a vyrábajú sa ako statické alebo dynamické.

● Pri statických polovodičových pamätiach → RWM (SRAM) je základný pamäťový element realizovaný ako preklápací obvod, kt. po zápise informácie zostáva v stabilnom stave, ktorý sa zmení zápisom novej hodnoty.

● Pri dynamických pamätiach RWM (DRAM) → je základný pamäťový element realizovaný pomocou parazitnej kapacity, kt. sa pri zápise nabije. Vplyvom zvodového  prúdu sa el. náboj vybíja → pri dynamických pamätiach je nutné informáciu periodicky obnovovať (refresh).

!!!!!Obsah polovodičových pamätí RWM (statické, dynamické) sa po vypnutí napájania stratí. !!!!!!

Polovodičové pamäti ROM → si uchovávajú svoj obsah aj po vypnutí napájacieho napätia. Okrem polovodičových pamätí ROM v kt. je zápis informácie vykonaný už pri výrobe (technologickou maskou), existujú používateľom programovateľné pamäti ROM.

● Pamäť typu PROM (PROM – Programmable ROM) → je jedenkrát naprogramovateľná polovodičová pamäť ROM. Naprogramovanie je trvalé!!!!

● Pamäť typu EPROM sú programovateľné ROM s možnosťou vymazania a opätovného naprogramovania (Erasable PROM). Pamäť sa maže pôsobením ultrafialového žiarenia na pamäťového elementy.

● Pamäti typu EEPROM → sú elektricky mazateľné pamäti PROM (EEPROM – Electrically Erasable PROM).

STAvebné prvky hlavnej pamäte

→ hl. pamäť je realizovaná z polovodičových pamätí, kt. sú fyzicky realizované ako integrované obvody.

Organizácia pamäťových buniek v rámci jedného integrovaného obvodu je:

● Statické pamäti RWM a pamäti ROM → majú obyčajne slabikovú organizáciu → do jednej bunky pamäte je možné uložiť slabiku (Byte) Šírka údajovej zbernice pamäte = 8bitov.

Kapacita pamäte pri slabikovej organizácií sa udáva v bajtoch (B) a vypočíta sa 2n, kde n→označuje šírku adresovej zbernice pamäte.

● Dynamické pamäti RWM → majú bitovú organizáciu do jednej bunky pamäte je možné uložiť 1bit.

Šírka údajovej zbernice je 1bit.

Kapacita pamäte pre bitovej organizácií sa udáva v bitoch (b) a vypočíta sa ako mocnina 2n, n je šírka adresovej zbernice pamäte.

Záver: Reálne má hlavná pamäť slabikovú organizáciu Preto, ak sa na jej výstavbu použijú pamäti s bitovou organizáciou, pri slabikovej organizácii hlavnej pamäte je potrebné použiť osmice integrovaných obvodov, kt. majú spoločný výberový signál s spoločné riadiace a adresné signály.

9.4. Komunikácia procesora s pamäťou

● Čítanie z pamäte → procesor musí nastaviť na adresnej zbernici platnú adresu pamäťovej bunky, z ktorej chce načítať informáciu a nastaviť aktívnu úroveň signálu pre čítanie z pamäte MEMR#.

Signál musí byť v aktívnej úrovni dostatočne dlhý čas. Po istom čase (Doba prístupu pamäte) pamäť vyšle na údajovú zbernicu platnú informáciu.

● Zápis do pamäte → procesor musí nastaviť na adresnej zbernici adresu bunky pamäte, do ktorej chce zapísať a na údajovú zbernicu vyslať platné údaje. Potom môže nastaviť do aktívnej úrovne signál pre zápis do pamäte MEMW#.

9.5. Virtuálna pamäť

● Princíp virtuálnej pamäte spočíva v tom, že nie celý program alebo všetky údaje sa nachádzajú naraz v hlavnej pamäti.

9.6. Vyrovnávacia pamäť (Cache)

→je rýchla pamäť rádovo menšej kapacity, akú má hlavná pamäť(typu RWM), slúži na preklenutie v podstate rádového rozdielu medzi prístupovou dobou registrov procesora a hlavnej pamäte.

→ do vyorovnávacej pamäte a μP sprístupňuje informácie z vyrovnávacej pamäte vyššou rýchlosťou ako z HP.

→ pamäť typu CACHE je možné vytvoriť technickými ale aj programovými prostriedkami.

→ keď časť spracovávaných údajov z pamäťového média s dlhším vybavovacím časom udržuje v pamäti s kratším vyb. časom ↔ pomalšie pamäte „kešujeme“ v rýchlejšej pamäti.

→ technicky sa najčastejšie „kešuje“ OP → robí sa to špeciálnymi obvodmi – „cache radičmi“, kt. majú pre tento  účel pridané rýchle pamäte RWM.

→ programovými prostriedkami sa „kešuje“ disk. (Ovládače OS)

9.7. Pamäť CMOS

→ pamäť s kapacitou minimálne 64B. Je to pamäť RWM vyrobená špeciálnou technológiou CMOS, kt. sa vyznačuje malou spotrebou energie.

→ uchovávané základné informácie o konfigurácii počítača,

→ obsah je zálohovaný pomocou špeciálnej batérie a ostáva zálohovaný aj po vypnutí napájacieho zdroja napätia PC.

→ zmena obsahu tejto pamäte sa vykonáva napr. pri výmene batérie alebo zmene konfigurácie počítača (špeciálnym programom SETUP).

→ SETUP býva súčasťou BIOS-u a je uložený v ROM pamäti počítača.

→ Pamäť CMOS je doménou počítačov triedy PC/AT.