Триколор 

Структура оперативной памяти. Предмет изучения информатики

Архитектура компьютера

Основные элементы компьютера.

Компьютер состоит из 4-х структурных компонентов:

1) Процессор.

Осуществляет контроль за действиями компьютера, а также выполняет функции обработки данных. Если в системе есть только один процессор, он часто называется центральным процессором (CPU – central processing unit)

2) Основная память.

Здесь хранятся данные и программы. Эта память является временной. Часто её называют реальной или оперативной памятью.

3) Устройства ввода-вывода.

Служат для передачи данных между компьютером и внешним окружением, состоящим из различных периферийных устройств, в число которых входит вторичная память, коммуникационное оборудование и терминалы.

4) Системная шина. Определённые структуры и механизмы, обеспечивающие взаимодействие между процессором, основной памятью и устройствами ввода-вывода.

Основная память

PC – программный счетчик

IR – регистр команд

MAR – регистр адреса памяти

MBR – регистр буфера памяти

I/O AR – регистр адреса ввода-вывода

I/O BR – регистр буфера ввода-вывода

Рисунок 1. Компоненты компьютера: общая структура.

Одной из функций процессора является обмен данными с памятью. Для этого он обычно использует два внутренних (по отношению к процессору) регистра: регистр адреса памяти (memory address register – MAR), куда заносится адрес ячейки памяти, в которой будет производиться операция чтения – записи, и регистр буфера памяти (memory buffers register – MBR), куда заносятся данные, предназначенные для записи в память, или те, которые были прочитаны из неё. Аналогично, номер устройства ввода-вывода задается в регистре адреса ввода-вывода (I/O address register – I/O AR). Регистр буфера ввода-вывода (I/O buffer register – I/O BR) служит для обмена данными между устройством ввода-вывода и процессором.

Модуль памяти состоит из множества пронумерованных ячеек. В каждую ячейку может быть записано двоичное число, которое интерпретируется либо как команда, либо как данные. Модуль ввода-вывода служит для передачи данных от внешних устройств как в процессор и память, так и в обратном направлении. Для временного хранения данных в нем есть свои внутренние буферы.

Регистры процессора

В процессоре имеется набор регистров, представляющих собой область памяти быстрого доступа, но намного меньшей емкости, чем основная память.

Регистры процессора (выполняют две функции) делятся на 2 группы:

Регистры, доступные пользователю. Эти регистры позволяют программисту сократить число обращений к основной памяти, оптимизируя использование регистров с помощью машинного языка или ассемблера.

Регистры управления и регистры состояния. Используются в процессоре для контроля над выполняемыми операциями; с их помощью привилегированные программы операционной системы могут контролировать ход выполнения других программ.

Регистры, доступные пользователю:

Регистры данных. Могут использоваться любой машинной командой для операций с данными. Часто при этом накладываются определённые ограничения. Например, некоторые регистры предназначены для операций над числами с плавающей точкой, в то время как остальные – для хранения целых чисел.

Адресные регистры. В них заносятся адреса команд и данных в основной памяти; в этих регистрах может быть записана только часть адреса, использующаяся при вычислении полного или эффективного адреса.

Управляющие регистры и регистры состояния.

Для контроля над работой процессора используются различные регистры. В большинстве машин эти регистры в основном недоступны пользователю.

Кроме упомянутых регистров MAR, MBR, I/O AR, I/O BR, важными для выполнения команд, являются следующие:

Программный счетчик (program counter – PC). Содержит адрес команды, которая должна быть выбрана из памяти.

Регистр команд (instruction register – IR). Содержит последнюю выбранную из памяти команду.

В состав всех процессоров входит также регистр, известный под названием регистра слова состояния программы (program status word – PSW). В нем, как правило, содержатся коды условий и другая информация о состоянии, например, бит разрешения/запрещения прерываний или бит режима системный/пользовательский.

Коды условий (известные как флаги) – это последовательность битов, устанавливаемых или сбрасываемых процессором в зависимости от результата выполненных операций. Например, в результате выполнения арифметического действия может получиться положительное число, отрицательное, ноль, или может произойти переполнение.

микросхемы ОП

Память (memory) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации.

Скачать презентацию «Характеристики памяти ПК»

Всю память ЭВМ можно разделить на:

  1. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)
  2. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство)
  3. РОН (регистры общего назначения) внутренняя память процессора – его регистры.
  4. CMOS (Complement Metal Oxide Semiconductor – комплементарные пары метал-оксид-полупроводник указывает на технологию изготовления данной памяти) – память системных установок(конфигурации).
  5. ВЗУ (внешнее запоминающее устройство)
  6. Видеопамять – электронная память, размещенная на видеокарте, используется в качестве буфера для хранения кадров динамического изображения.

1,2,3,6 – электронная память, 5 – электромеханическая память.

Характеристики оперативной памяти

Внутренняя память ПК обладает двумя основными свойствами: дискретностью и адресуемостью.

Дискретность – память состоит из битов (бит — элемент памяти, частица информации, хранит двоичный код 0 или 1. Слово бит произошло от англ. «binary digit» — двоичная цифра).

Бит – наименьшая частица памяти компьютера.

Следовательно, у слова «бит» есть два смысла: это единица измерения количества информации и частица памяти компьютера. Оба эти понятия связаны между собой следующим образом:
В одном бите памяти хранится один бит информации.

Память – это упорядоченная последовательность двоичных разрядов(бит). Эта последовательность делится на группы по 8 разрядов. Каждая такая группа образует байт памяти.

Следовательно «бит» и «байт» обозначают не только названия единиц измерения количества информации, но и структурные единицы памяти ЭВМ.
1Кб = 210 байт =1024б
1Мб = 210 Кбайт =1024Кб
1Гб = 1024Мб

Ячейка памяти – группа последовательных байтов внутренней памяти, вмещающая в себе информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора.
Содержимое ячейки памяти называется машинным словом. Байты внутренней памяти пронумерованы. Нумерация начинается с 0.
Порядковый № байта называется адресом байта. Принцип адресуемости памяти заключается в том, что любая информация заносится в память и извлекается из нее по адресам, т.е. чтобы взять информацию из ячейки памяти или поместить ее туда, необходимо указать адрес этой ячейки. Адрес ячейки память равен адресу младшего байта, входящим в ячейку.
Адресация памяти начинается с 0. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове.

Структура оперативной памяти


Оперативная память(ОП) (ОЗУ)

Из ОП ЦП берет исходные данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название «оперативная» память получила потому что работает быстро.
Является энергозависимой, данные и программы сохраняются в ней только до тех пор, пока ПК включен, при выключении ПК содержимое ОП стирается.
ОЗУ предназначена для хранения текущей, быстроменяющейся информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислений.
Используется два основных типа оперативной памяти: статическая память (SRAM-Static RAM — КЭШ) и динамическая память (DRAM-Dynamic RAM — ОЗУ).
Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью) хранимой информации.

Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами: временем доступа(access time) и длительностью цикла памяти (cycle time).
Эти величины, как правило, измеряются в наносекундах. Чем больше эти величины, тем больше быстродействие памяти.
Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова (операнда).
Длительность цикла определяется минимальным допустимым временим между двумя последовательными обращениями к памяти.

В статической памяти элементы построены на триггерах — схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для построения одного триггера требуется 4-6 транзисторов. После
записи информации в статический элемент памяти он может хранить информацию сколь угодно долго (пока подается электрическое питание).
Статическая память имеет высокое быстродействие и низкую плотность размещения хранящихся данных. Этот вид памяти дорог и энергоемок, следовательно, может происходить перегрев,
что снижает надежность система, поэтому вся ОП не может быть построена по статическому принципу.

В динамической памяти элементы памяти построены на основе полупроводниковых конденсаторов, занимающих гораздо более меньшую площадь, чем триггеры в статической памяти.
Для построения динамического элемента памяти требуется 1-2 транзистора. Каждый бит ОП представляется в виде наличия или отсутствия заряда на конденсаторе, образованном в структуре
полупроводникового кристалла. Ячейки динамической памяти очень компактны, но со временем конденсатор испытывает утечку заряда, поэтому периодически (приблизительно 1000 раз в сек.)
выполняется автоматическое восстановление информации в каждой ячейке. Это снижает скорость работы динамической памяти и является основным ее недостатком.

ОП часто обозначают RAM (Random Access memory) – память с произвольным доступом (тип доступа к памяти при котором ячейки памяти пронумерованы, т.е. адресуемы и, следовательно, обращение к ним может производиться в произвольном порядке).

Термин «произвольный доступ» означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любой ячейки.

Заметим, что существует и другая организация памяти, при которой прежде чем считать нужную информацию нужно «вытолкнуть» ранее поступившие операнды.

От объема ОП, установленным на ПК напрямую зависит с каким ПО Вы сможете на нем работать. При недостатке ОП программы не запускаются, выдается сообщение: “Out of memory”, либо работают крайне медленно.

Чем больше ОП в ПК, тем лучше. При необходимости объем ОП можно нарастить (ограничивается параметрами ОП, поддерживаемой конкретной материнской платы, внимательно см.спецификацию к системной плате).


Распределение памяти в ПК (Разделы ОЗУ)

RAM устроена довольно сложно, она иерархична (многоэтажна). ОП разделяют на несколько типов. Деление это обусловлено историческими причинами.
Первые компьютеры были выполнены так, что они могли работать максимально с 640Кб памяти. Выделяют 4 вида памяти:

  • Стандартная (conventional memory area)
  • Верхняя (upper memory blocks(area))
  • Дополнительная (expanded memory specification)
  • Расширенная (extended memory specification)

Стандартная (conventional memory area) – базовая, первые 640 Кб, также его часто называют lower.
В мл. адреса этой памяти загружается ОС и драйверы устройств. Оставшуюся свободную часть памяти занимают пользовательские программы.
Резидентные программы так же остаются в этой памяти.

Верхняя (upper memory аrea) – 640Кб — 1Мб используется для хранения служебной информации: памяти видеоадаптера,BIOS.
Спец. драйвер Himem.sys позволяют загружать в свободные участки этой области резидентные программы и драйвера устройств.

High memory – первые 64 Кб после 1Мб. ОС MS DOS позволяет загрузить часть резидентной DOS в эту область, освобождая при этом существенную часть
базовой памяти для работы прикладных программ. Особенно это полезно для программ, использующих всю ОП. Используя спец. утилиты (для DOS emm386.exe)
в верхние разделы памяти можно загружать также и резидентные программы (команды LH для autoexec.bat и DEVICEHIGT для config.sys).

Вся память свыше 1 Мб может быть рассмотрена как дополнительная(expanded) или как расширенная (extended ). В ОС менеджер памяти позволяет использовать память и как расширенную и как дополнительную, автоматически обеспечивая тот тип взаимодействия с данными, который нужен прикладным программам. Т.е. пользователю новых современных ПК (от Pentium) нет необходимости распределять память «в ручную», менеджер выделить память таким образом, как это требует прикладная программа.

Дополнительная(expanded) память – постраничная, т.е. ОП разбивается на страницы, каждой странице ставится в соответствие определенный адрес в основной памяти. При обращении к такому адресу EMM(expanded memory manager) драйвер расширенной памяти(менеджер памяти) позволяет компьютеру считать информацию с соответствующей страницы памяти.

Расширенная (extended) память построчной организации (Smartdrv — драйвер расширенной памяти) используется для создания временного логического диска (виртуального диска), как буфер обмена с жестким диском.


Распределение ОП в ПК с ОС MS-DOS

1Mб+ 64Кб High High Расширенная или дополнительная память
Резидентные программы и драйверы устройств
Часть ОС
1Mб Upper Верхняя память ПЗУ BIOS
Видеопамять (текстовый буфер)
Видеопамять (графический буфер)
640Кб Convertional Memory Area (base)Стандартная (базовая память) Свободная часть (command.com) транзитная часть
Свободная часть для программ пользователя
Command.com (резидентная часть)
Программы DOS, драйверы
Файлы io.sys msdos.sys
Данные для DOS и BIOS и другая служебная информация

Микросхемы ОП (модули ОП)

Производительность ПК зависит от типа и размера ОП, а это в свою очередь зависит от набора интегральных схем на материнской плате.

Внешний вид микросхем ОП: пластиковая полоска, на ней расположены кремневые «черепашки» – чипы-микросхемы (то есть используется полупроводниковая технология) и имеются «ножевые» контактные разъемы.

Устройства памяти характеризуются следующими основными показателями:

  1. временем доступа (быстродействием). Время доступа – промежуток времени, за который может быть записано (прочитано) содержимое ячейки памяти.
  2. емкостью (определяет количество ячеек (битов) в устройстве памяти).
  3. стоимостью.
  4. потребляемой мощностью (электропотреблением).

Существует 2 модуля памяти, отличающиеся формой, внутренней архитектурой, скоростью работы: SIMM и DIMM.
I. SIMM (SINGLE IN-LINE MEMORY MODULES) (SRAM)
бывают двух типов (отличающихся количеством контактов).

1. 30-контактные модули SIMM. Бывают 1 и 4 Мб. Практически сегодня исчезли из продажи для компьютеров 386, 286-процессором. Сегодня им нашлось интересное применение – в качестве ОП, устанавливаемой в некоторые звуковые платы, например, Greafive Sound Blaster 32 (AWE-32) Gravis UltraSound PnP. Однако новая карта AWE-64 уже содержит свои модули ОП, эта память не нужна.

2. 72-контактные SIMM (на 1, 4, 8, 16, 32, 64 Мб, редко 128 Мб). Внешний вид неизменный, а вот тип устанавливаемой на них памяти меняется (тип памяти указывается на микросхеме).

a) самый старый (редко сейчас встречающийся) – FPM DRAM (или просто DRAM – Dynamic Random Access Memory – динамическая ОП). Работала на 486 и первых Pentium.

b) модифицированный тип EDO DRAM (или EDO – Extended data output).

Микросхемы SIMM выпускаются одинарной и двойной плотности, с контролем четности и без (использование контроля четности позволяет парировать одиночную ошибку памяти). Модули отличаются и по скорости доступа 60 и 70 наносекунд, чем скорость меньше, тем быстрее доступ. 60 наносекунд быстрее 70 наносекунд. Модули SIMM в материнской плате Pentium и Pentium MMX устанавливаются только попарно, образуя так называемый банк.

Пример необходимо 32 Мб => 2 модуля SIMM по 16 Мб.
необходимо 64 Мб => 4 модуля SIMM по 16 Мб или 2 модуля SIMM по 32Мб.

В рамках одного банка можно использовать только одинаковые по емкости и скорости доступа модули SIMM. Если на вашей материнской плате 4 слота для модулей памяти SIMM, то можно сформировать два банка различной емкости.


II. DIMM (SDRAM DUAL IN-LINE MEMORY MODULES).

Появился впервые у MMX- компьютеров, стал основой для PII., поэтому у PII редко бывают SIMM-разъемы. DIMM не обязательно должно быть четное число. Модули DIMM бывают емкостью 16, 32, 64, 128, 256, 512 Мб

  1. EDO SD RAM (Synchronous DRAM) – синхронизируемая динамическая ОП)
    SD RAM (SINGLE DATA RATE RANDOM ACCESS MEMORY).ЗУПВ с одинарной скоростью передачи данных, которая в зависимости от тактовой частоты называется памятью PC100 и PC133. Микросхема на 168 контактов, является сегодня самой «медленной» из семейства DIMM-модулей памяти, Время доступа = 10-20 наносекунд. Верхний предел ее тактовой частоты 133 МГц. И все же этот тип ОП вполне подходит для большинства офисных и
    домашних ПК. Пропускная способность 1Гб/с.
    SPD – это небольшая микросхема, установленная в модуле памяти SD RAM DIMM и содержащая подробную информацию о типе установленной памяти и некоторые другие устройства. РС133 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory) самая быстрая из класса классической ОП. (были и РС66, РС100). Теперь это самый медленный тип ОЗУ. Физически представляет собой массив микроскопических конденсаторов, «упакованных» в микросхемы памяти. Логически каждый конденсатор есть не что иное, как элементарная однобитовая информационная ячейка с 2-мя состояниями: 0 – если конденсатор не заряжен, 1 – если заряжен. Эти ячейки объединяются в двумерную матрицу, где каждая ячейка адресуется номерами строки и столбца, на пересечении которых она находится. К микросхеме подводятся шины командная (передает команды, управляющие работой микросхем ОП), адресная (адреса строк и столбцов), и данных. Все три синхронизируются импульсами одной и той же частоты. (133). SDRAM – синхронная память и логика работы микросхем памяти этого типа жестко синхронизируется с тактовым сигналом. Например, контроллер памяти точно знает, в течение скольких тактов микросхемы памяти будут готовить запрошенные данные для передачи и на каком такте начнется собственно их передача. Сегодня данная микросхема встречается редко.
  2. Rambus (RD RAM) Двухканальная ОП (микросхема фирмы Intel). Direct Rambus – это новая шина памяти, в которой управление адресацией отделено от работы с данными. Система состоит из контроллера Direct Rambus, подсоединенного к одному или нескольким модулям Direct Rambus DRAM, которые называются RIMM, в отличии от обычных микросхем памяти, соединяемых параллельно, RIMM соединяются последовательно. Канал Direct Rambus включает двунаправленную шину данных и шину адреса, т.е. адреса памяти передаются одновременно с данными. Каждая микросхема RDRAM может содержать до 32 независимых банков, SD RAM – от 2 до 8. Свободно работает на высоких тактовых частотах.
    Микросхема на 184 контакта Микросхемы ОП с тактовой частотой от 600 до 800 МГц. Когда используется микросхема PC800 (частота синхронизации 400 МГц), пропускная способность шины «память-процессор» достигает 3,2 Гб/с. При использовании PC600 (300 МГц) этот параметр = 2,6 Гб/с.
    В свободные гнезда памяти Rambus необходимо устанавливать заглушки Continuity Rimm (CRIMM). Без них система не станет работать, поскольку модули в обоих каналах Rambus включаются каскадно, то есть тактовые и управляющие сигналы проходят через разъемы Rimm последовательно. Емкость ОЗУ может быть до 3 Гб.
    Обеспечивают значительное быстродействие при выполнении сложных приложений на ПК и рабочих станциях. Вопрос о быстродействии ОП сегодня очень спорный.
  3. DDR SDRAM (Double Data Rate) – двойная скорость передачи данных – это по сути модификации обычной SDRAM и отличается от нее тем, что в ней запись и чтение данных происходят и по переднему и по заднему фронту тактового импульса. Поэтому за один такт по шине передается вдвое больше данных, и ее эффективная частота оказывается вдвое больше физической.
    2х канальная память DDR266 DDR333 и DDR400 и системы с ней не уступают памяти RDRAM. ОП с удвоенной скоростью передачи данных, а иначе называется PC200 и PC266 в зависимости от тактовой частоты системной шины. Не столь дорогая, чем (3) и явно способствует повышению быстродействия ПК в отличие от (2). В основном благодаря использованию этой памяти ПК на базе Athlon 1,2 Ггц обошел на многих тестах 1,5 Ггц Р-IV с памятью RD RAM.
    Сегодня, пока, покупатель не может просто выбрать желательный для него тип ОП, так как она связана с интегральной схемой на системной плате, а та с ЦП. Так, пока, Р-IV работает с набором ИС- 850 компании Intel и дорогостоящей памятью RD RAM. (В середине 2001 года планируется появление микросхем, совместимых с устройствами SD RAM и DDR). Если вы хотите приобрести Р-IV, то автоматически будете вынуждены приобрести и дорогую ОП. Наборы интегральных схем семейства Athlon используют ОП SD RAM и DDR, но не могут RD RAM.

Модуль памяти Kingston DDR PC3200

В ПЗУ информация остаётся неизменной.
Запись в ПЗУ обычно осуществляется электрическим или механическим способом, в процессе изготовления материнской карты. Эти данные, как правило, не могут быть изменены, выполняемые не ПК
программы могут их только считывать В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

Часто ее называют ROM (Read Only Memory) – память только для чтения. В постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки ОС и выполнение базовых
функций по обслуживанию устройств ПК. Часто содержимое постоянной памяти называют BIOS(Basic Input Output System) – базовая система ввода/вывода.
BIOS – это система контроля и управления устройствами, подключёнными к ПК (жёсткий диск, ОП, часы, календарь). Это часть программного обеспечения ПК, поддерживающая управление адаптерами
внешних устройств, экранные операции, тестирование, начальную загрузку и установку OS. BIOS находится на материнской плате (отдельная микросхема с автономным питанием от батарейки в ПК).

На сегодняшних ПК BIOS можно перезаписывать.BIOS сегодня может сам определять новые устройства, подключённые к ПК (стандарт PnP — Plug-And-Play) включи и работай.
Управление устройствами осуществляется через механизм прерываний.


Прерывания могут быть:

  • аппаратные (инициируются аппаратными средствами),
  • логические (инициируются микропроцессором – нестандартные ситуации в работе микропроцессора),
  • программные (инициируются каким-либо программным обеспечением).

При включении ПК автоматически загружается и выполняется спец.программа POST(Power-On Self-Test) из состава BIOS.

Эта программа производит самопроверку и тестирование при загрузке:

  • проверка переключателей и CMOS-памяти на системной (материнской) плате (определение оборудования, которое подключено к ПК),
  • тестирование ОЗУ,
  • выполнение действий по загрузке OС (загрузка в ОЗУ и запуск Блока Начальной Загрузки OС),
  • выполняет другие специфические действия по подготовке ПК и дополнительно-го оборудования к работе.


BIOS

Является своеобразной программной оболочкой вокруг аппаратных средств ПК (самого нижнего уровня), реализуя доступ к аппаратным средствам ПК через механизм прерываний.
CMOS-память – ПЗУ (с возможностью модификации), где содержится некоторая настроченная информация по конфигурации ДАННОГО ПК и некоторого дополнительного оборудования. Обладает низким электропотреблением. Питается от аккуммуляторной батарейки.
«Вход» в редактирование CMOS-памяти, как правило, по нажатию клавиши DELETE (DEL) (на клавиатуре) сразу после включения ПК в процессе работы POST-программы (загрузка программы Setup).

  • системные часы,
  • информация по результатам диагностики POST-программы,
  • информация по наличию и типу FDD,
  • информация по наличию и типу HDD,
  • размер ОЗУ,
  • наличие дополнительного оборудования.

За последнюю неделю дважды объяснял людям как организована работа с памятью в х86, с целью чтобы не объяснять в третий раз написал эту статью.

И так, чтобы понять организацию памяти от вас потребуется знания некоторых базовых понятий, таких как регистры, стек и тд. Я по ходу попробую объяснить и это на пальцах, но очень кратко потому что это не тема для этой статьи. Итак начнем.

Как известно программист, когда пишет программы работает не с физическим адресом, а только с логическим. И то если он программирует на ассемблере. В том же Си ячейки памяти от программиста уже скрыты указателями, для его же удобства, но если грубо говорить указатель это другое представление логического адреса памяти, а в Java и указателей нет, совсем плохой язык. Однако грамотному программисту не помешают знания о том как организована память хотя бы на общем уровне. Меня вообще очень огорчают программисты, которые не знают как работает машина, обычно это программисты Java и прочие php-парни, с квалификацией ниже плинтуса.

Так ладно, хватит о печальном, переходим к делу.
Рассмотрим адресное пространство программного режима 32 битного процессора (для 64 бит все по аналогии)
Адресное пространство этого режима будет состоять из 2^32 ячеек памяти пронумерованных от 0 и до 2^32-1.
Программист работает с этой памятью, если ему нужно определить переменную, он просто говорит ячейка памяти с адресом таким-то будет содержать такой-то тип данных, при этом сам програмист может и не знать какой номер у этой ячейки он просто напишет что-то вроде:
int data = 10;
компьютер поймет это так: нужно взять какую-то ячейку с номером стопицот и поместить в нее цело число 10. При том про адрес ячейки 18894 вы и не узнаете, он от вас будет скрыт.

Все бы хорошо, но возникает вопрос, а как компьютер ищет эту ячейку памяти, ведь память у нас может быть разная:
3 уровень кэша
2 уровень кэша
1 уровень кэша
основная память
жесткий диск

Это все разные памяти, но компьютер легко находит в какой из них лежит наша переменная int data.
Этот вопрос решается операционной системой совместно с процессором.
Вся дальнейшая статья будет посвящена разбору этого метода.

Архитектура х86 поддерживает стек.

Стек это непрерывная область оперативной памяти организованная по принципу стопки тарелок, вы не можете брать тарелки из середины стопки, можете только брать верхнюю и класть тарелку вы тоже можете только на верх стопки.
В процессоре для работы со стеком организованны специальные машинные коды, ассемблерные мнемоники которых выглядят так:

Push operand
помещает операнд в стек

Pop operand
изымает из вершины стека значение и помещает его в свой операнд

Стек в памяти растет сверху вниз, это значит что при добавлении значения в него адрес вершины стека уменьшается, а когда вы извлекаете из него, то адрес вершины стека увеличивается.

Теперь кратко рассмотрим что такое регистры.
Это ячейки памяти в самом процессоре. Это самый быстрый и самый дорогой тип памяти, когда процессор совершает какие-то операции со значением или с памятью, он берет эти значения непосредственно из регистров.
В процессоре есть несколько наборов логик, каждая из которых имеет свои машинные коды и свои наборы регистров.
Basic program registers (Основные программные регистры) Эти регистры используются всеми программами с их помощью выполняется обработка целочисленных данных.
Floating Point Unit registers (FPU) Эти регистры работают с данными представленными в формате с плавающей точкой.
Еще есть MMX и XMM registers эти регистры используются тогда, когда вам надо выполнить одну инструкцию над большим количеством операндов.

Рассмотрим подробнее основные программные регистры. К ним относятся восемь 32 битных регистров общего назначения: EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP
Для того чтобы поместить в регистр данные, или для того чтобы изъять из регистра в ячейку памяти данные используется команда mov:

Mov eax, 10
загружает число 10 в регистр eax.

Mov data, ebx
копирует число, содержащееся в регистре ebx в ячейку памяти data.

Регистр ESP содержит адрес вершины стека.
Кроме регистров общего назначения, к основным программным регистрам относят шесть 16битных сегментных регистров: CS, DS, SS, ES, FS, GS, EFLAGS, EIP
EFLAGS показывает биты, так называемые флаги, которые отражают состояние процессора или характеризуют ход выполнения предыдущих команд.
В регистре EIP содержится адрес следующей команды, которая будет выполнятся процессором.
Я не буду расписывать регистры FPU, так как они нам не понадобятся. Итак наше небольшое отступление про регистры и стек закончилось переходим обратно к организации памяти.

Как вы помните целью статьи является рассказ про преобразование логической памяти в физическую, на самом деле есть еще промежуточный этап и полная цепочка выглядит так:

Логический адрес --> Линейный (виртуальный)--> Физический
Все линейное адресное пространство разбито на сегменты. Адресное пространство каждого процесса имеет по крайней мере три сегмента:
Сегмент кода. (содержит команды из нашей программы, которые будут исполнятся.)
Сегмент данных. (Содержит данные, то бишь переменные)
Сегмент стека, про который я писал выше.


Линейный адрес вычисляется по формуле:
линейный адрес=Базовый адрес сегмента(на картинке это начало сегмента) + смещение
Сегмент кода
Базовый адрес сегмента кода берется из регистра CS. Значение смещения для сегмента кода берется из регистра EIP, в котором хранится адрес инструкции, после исполнения которой, значение EIP увеличивается на размер этой команды. Если команда занимает 4 байта, то значение EIP увеличивается на 4 байта и будет указывать уже на следующую инструкцию. Все это делается автоматически без участия программиста.
Сегментов кода может быть несколько в нашей памяти. В нашем случае он один.
Сегмент данных
Данные загружаются в регистры DS, ES, FS, GS
Это значит что сегментов данных может быть до 4х. На нашей картинке он один.
Смещение внутри сегмента данных задается как операнд команды. По дефолту используется сегмент на который указывает регистр DS. Для того чтобы войти в другой сегмент надо это непосредственно указать в команде префикса замены сегмента.
Сегмент стека
Используемый сегмент стека задается значением регистра SS.
Смещение внутри этого сегмента представлено регистром ESP, который указывает на вершину стека, как вы помните.
Сегменты в памяти могут друг друга перекрывать, мало того базовый адрес всех сегментов может совпадать например в нуле. Такой вырожденный случай называется линейным представлением памяти. В современных системах, память как правило так организована.

Теперь рассмотрим определение базовых адресов сегмента, я писал что они содержаться в регистрах SS, DS, CS, но это не совсем так, в них содержится некий 16 битный селектор, который указывает на некий дескриптор сегментов, в котором уже хранится необходимый адрес.


Так выглядит селектор, в тринадцати его битах содержится индекс дескриптора в таблице дескрипторов. Не хитро посчитать будет что 2^13 = 8192 это максимальное количество дескрипторов в таблице.
Вообще дескрипторных таблиц бывает два вида GDT и LDT Первая называется глобальная таблица дескрипторов, она в системе всегда только одна, ее начальный адрес, точнее адрес ее нулевого дескриптора хранится в 48 битном системном регистре GDTR. И с момента старта системы не меняется и в свопе не принимает участия.
А вот значения дескрипторов могут меняться. Если в селекторе бит TI равен нулю, тогда процессор просто идет в GDT ищет по индексу нужный дескриптор с помощью которого осуществляет доступ к этому сегменту.
Пока все просто было, но если TI равен 1 тогда это означает что использоваться будет LDT. Таблиц этих много, но использоваться в данный момент будет та селектор которой загружен в системный регистр LDTR, который в отличии от GDTR может меняться.
Индекс селектора указывает на дескриптор, который указывает уже не на базовый адрес сегмента, а на память в котором хранится локальная таблица дескрипторов, точнее ее нулевой элемент. Ну а дальше все так же как и с GDT. Таким образом во время работы локальные таблицы могут создаваться и уничтожаться по мере необходимости. LDT не могут содержать дескрипторы на другие LDT.
Итак мы знаем как процессор добирается до дескриптора, а что содержится в этом дескрипторе посмотрим на картинке:

Дескрипторы состоит из 8 байт.
Биты с 15-39 и 56-63 содержат линейный базовый адрес описываемым данным дескриптором сегмента. Напомню нашу формулу для нахождения линейного адреса:

линейный адрес = базовый адрес + смещение
С помощью такой нехитрой операции процессор может обращаться по нужному адресу линейной памяти.
Рассмотрим другие биты дескриптора, очень важным является Segment Limit или предел, он имеет 20битное значение от 0-15 и 48-51 бит. Предел задает размер сегмента. Для сегментов данных и кода доступными являются все адреса, расположенные в интервале:
[база; база+предел)
В зависимости от 55 G-бита(гранулярити), предел может измеряться в байтах при нулевом значении бита и тогда максимальный предел составит 1 мб, или в значении 1, предел измеряется страницами, каждая из которых равна 4кб. и максимальный размер такого сегмента будет 4Гб.
Для сегмента стека предел будет в интервале:
(база+предел; вершина]
Кстати интересно почему база и предел так рвано располагаются в дескрипторе. Дело в том что процессоры х86 развивались эволюционно и во времена 286х дескрипторы были по 8 бит всего, при этом старшие 2 байта были зарезервированы, ну а в последующих моделях процессоров с увеличением разрядности дескрипторы тоже выросли, но для сохранения обратной совместимости пришлось оставить структуру как есть.
Значение адреса «вершина» зависит от 54го D бита, если он равен 0, тогда вершина равна 0xFFF(64кб-1), если D бит равен 1, тогда вершина равна 0xFFFFFFFF (4Гб-1)
С 41-43 бит кодируется тип сегмента.
000 - сегмент данных, только считывание
001 - сегмент данных, считывание и запись
010 - сегмент стека, только считывание
011 - сегмент стека, считывание и запись
100 - сегмент кода, только выполнение
101- сегмент кода, считывание и выполнение
110 - подчиненный сегмент кода, только выполнение
111 - подчиненный сегмент кода, только выполнение и считывание

44 S бит если равен 1 тогда дескриптор описывает реальный сегмент оперативной памяти, иначе значение S бита равно 0.

Самым важным битом является 47-й P бит присутствия. Если бит равен 1 значит, что сегмент или локальная таблица дескрипторов загружена в оперативку, если этот бит равен 0, тогда это означает что данного сегмента в оперативке нет, он находится на жестком диске, случается прерывание, особый случай работы процессора запускается обработчик особого случая, который загружает нужный сегмент с жесткого диска в память, если P бит равен 0, тогда все поля дескриптора теряют смысл, и становятся свободными для сохранения в них служебной информации. После завершения работы обработчика, P бит устанавливается в значение 1, и производится повторное обращение к дескриптору, сегмент которого находится уже в памяти.

На этом заканчивается преобразование логического адреса в линейный, и я думаю на этом стоит прерваться. В следующий раз я расскажу вторую часть преобразования из линейного в физический.
А так же думаю стоит немного поговорить о передачи аргументов функции, и о размещении переменных в памяти, чтобы была какая-то связь с реальностью, потому размещение переменных в памяти это уже непосредственно, то с чем вам приходится сталкиваться в работе, а не просто какие-то теоретические измышления для системного программиста. Но без понимания, как устроена память невозможно понять как эти самые переменные хранятся в памяти.
В общем надеюсь было интересно и до новых встреч.

Общая структурная схема процессора

Принцип фон Неймана

Лекция 3

Принцип фон Неймана. АЛУ. Программа как последовательность кодов команд. Адрес ячейки памяти. Регистры процессора. Как процессор складывает два числа.

Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским ученым, одним из отцов кибернетики Джоном фон Нейманом. Впервые эти принципы были опубликованы фон Нейманом в 1945 г. в его предложениях по машине EDVAC. Эта ЭВМ была одной из первых машин с хранимой программой, т.е. с программой, запомненной в памяти машины, а не считываемой с перфокарты или другого подобного устройства. В целом эти принципы сводятся к следующему:

1) Основными блоками фон-неймановской машины являются блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода-вывода.

2) Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами.

3) Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова называются командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм, называется программой.

4) Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Разнотипные слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

5) Устройство управления и арифметическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором. Они определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.

Компьютеры, построенные на этих принципах, называются машинами фон‑Неймановского типа.

Процессор - центральная микросхема ЭВМ, осуществляющая операции по обработке информации и управляющая работой остальных устройств ЭВМ.

Процессор представляет собой микросхему с большим числом контактов, имеющую прямоугольную или квадратную форму и легко помещающуюся на ладони.

Изобретателем микропроцессора как схемы, в которую собрана практически вся основная электроника компьютера, стала американская фирма INTEL, выпустившая в 1970 году процессор 8008. С их появления и началась история ЭВМ четвертого поколения.

В своей работе процессор использует регистры - ячейки памяти, находящиеся внутри процессора. На рисунке приведена общая схема процессора.

Общая структурная схема процессора

Процессор разделен на две части:

операционное устройство (ОУ) и шинный интерфейс (ШИ) .


Назначение ОУ - выполнение команд, а ШИ подготавливает команды и данные для выполнения. ОУ содержит:

арифметико-логическое устройство (АЛУ) - "отвечает" за выполнение команд,

устройство управления (УУ) - осуществляет выборку команд из памяти, пересылку их на АЛУ и перемещение полученных результатов в требуемую ячейку памяти;

10 регистров - применяются при вычислениях.

Эти устройства обеспечивают выполнение команд, арифметические вычисления и логические операции.

Три элемента ШИ - блок управления шиной, очередь команд и сегментные регистры - осуществляют следующие функции:

передачу данных на ОУ, в память и на внешние устройства ввода/вывода ;

адресацию памяти с помощью четырех сегментных регистров ;

выборку команд, требуемых для выполнения, из памяти в очередь команд .

Компьютер имеет два типа внутренней памяти. Постоянная память (ПЗУ или ROM - read-only memory). Она представляет собой специальную микросхему, из которой возможно только чтение, так как данные в ней специальным образом "прожигаются" и не могут быть модифицированы. Ее основное назначение: поддержка процедур начальной загрузки, выполнение различных проверок и т.д. Для целей программирования наиболее важным элементом ПЗУ является BIOS (Basic Input/Output System) - базовая система ввода/вывода.

Память, с которой имеет дело программист, называется ОЗУ (RAM - random access memory) - оперативное запоминающее устройство. Ее содержимое доступно как для чтения, так и для записи. Здесь хранятся программы и данные во время работы компьютера.

Основным устройством обработки информации в ЭВМ является арифметико-логическое устройство (АЛУ). Его основой является электронная схема, составленная из большого числа транзисторов, называемая сумматором. Сумматором выполняются простейшие логические и арифметические операции над данными, представленными в виде двоичных кодов (нулей и единиц). К логическим операциям относятся логическое умножение (операция "И"), логическое сложение (операция "ИЛИ") и логическое отрицание (операция "НЕ"). Результатом операции логического умножения является 1, если все переменные, являющиеся исходными данными равны 1, и 0, если хотя бы одна из них равна 0. Вспоминая, что 1 моделируется электрическим сигналом, а 0 - отсутствием сигнала, можно сказать, что на выходе устройства будет электрический сигнал тогда и только тогда, когда сигнал будет иметься на каждом входе:

Результатом операции логического сложения является 0, если все исходные переменные равны нулю, и 1, если хотя бы одна из них равна 1. Результатом операции логического отрицания является 1, если на входе- 0, и 0, если на входе -1.

На основе этих трех операций можно производить арифметические действия над числами, представленными в виде нулей и единиц. Теоретической основой для этого являются законы, разработанные еще в 1847 году ирландским математиком Джорджем Булем, известные как Булева алгебра, в которой используются только два числа- 0 и 1. Ранее считалось, что эти работы Буля никому не нужны, и их автор подвергался насмешкам. Однако, в 1938 году американский инженер Клод Шеннон положил Булеву алгебру в основу теории электрических и электронных переключательных схем- сумматоров, создание которых и привело к появлению ЭВМ, способных автоматически производить арифметические вычисления.

Все остальные операции, производимые ЭВМ, сводятся к большому числу простейших арифметических и логических операций, аналогично тому, как операцию умножения можно свести к большому числу операций сложения.

В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство объединяется с управляющими устройствами в единую схему - процессор .

В компьютерных системах работа с памятью основывается на очень простых концепциях. В принципе, все, что требуется от компьютерной памяти, - это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда.

Одним из основных элементов компьютера, позволяющим ему нормально функционировать, является память. Внутренняя память компьютера - это место хранения информации, с которой он работает. Внутренняя память компьютера является временным рабочим пространством; в отличие от нее внешняя память, такая как файл на дискете, предназначена для долговременного хранения информации. Информация во внутренней памяти не сохраняется при выключении питания.

Каждая ячейка памяти имеет адрес, который используется для ее нахождения. Адреса - это числа, начиная с нуля для первой ячейки, увеличивающиеся по направлению к последней ячейке памяти. Поскольку адреса - это те же числа, компьютер может использовать арифметические операции для вычисления адресов памяти.

Архитектура каждого компьютера накладывает собственные ограничения на величину адресов. Наибольший возможный адрес определяет объем адресного пространства компьютера или то, какой объем памяти он может использовать. Обычно компьютер использует память меньшего объема, чем допускается его возможностями адресации. Если архитектура компьютера предусматривает наибольшее адресное пространство, это накладывает суровые ограничения на возможности такого компьютера. Адреса в 8088 имеют длину 20 бит, следовательно, процессор позволяет адресовать два в двадцатой степени байта или 1024 К.

Устройство и принцип работы оперативной памяти

Оперативная память - это неотъемлемый компонент любой компьютерной системы, эта память хранит в себе данные, необходимые для работы всей системы в определённый момент времени. При создании чипов оперативной памяти используют динамическую память, которая медленнее, но дешевле чем статическая, которая используется при создании кеш памяти процессоров.

Из чего состоит ядро оперативной памяти

Ядро микросхемы оперативной памяти состоит из огромного количества ячеек памяти, которые объединены в прямоугольные таблицы - матрицы. Горизонтальные линейки матрицы называют строками , а вертикальные столбцами . Весь прямоугольник матрицы называться страницей , а совокупность страниц называется банком .

Горизонтальные и вертикальные линии являются проводником, на пересечении горизонтальных и вертикальных линий и находятся ячейки памяти .

Из чего состоит ячейка памяти

Ячейка памяти состоит из одного полевого транзистора и одного конденсатора . Конденсатор выполняет роль хранителя информации, он может хранить один бит данных, то есть либо логическую единицу (когда он заряжен), либо логический ноль (когда он разряжен). Транзистор выполняет роль электрического ключа, который либо удерживает заряд на конденсаторе, либо открывает для считывания.

Регенерация памяти

Конденсатор, который служит хранителем данных, имеет микроскопические размеры и как следствие маленькую ёмкость, и ввиду этого не может долго хранить заряд заданный ему, по причине саморазряда. Для борьбы с этой проблемой, используется регенерация памяти , которая, с определённой периодичностью считывает ячейки и записывает заново. Благодаря подобному явлению, эта память и получила название динамической.

Чтение памяти

Если нам нужно прочитать память, то на определённую строку страницы памяти, подаётся сигнал, который открывает транзистор и пропускает электрический заряд, который содержится (или не содержится) в конденсаторе на соответствующий столбец. К каждому столбцу подключен чувствительный усилитель, который реагирует на незначительный поток электронов выпущенных с конденсатора. Но тут есть нюанс - сигнал, поданный на строку матрицы, открывает все транзисторы данной строки, так как они все подключены на данную строку, и таким образом происходит чтение всей строки. Исходя из вышесказанного, становится ясно, что строка в памяти, является минимальной величиной для чтения - прочитать одну ячейку, не затронув другие невозможно.

Процесс чтения памяти является деструктивным, так как прочитанный конденсатор отдал все свои электроны, что бы его услышал чувствительный усилитель. И по этому, после каждого чтения строки, её нужно записать заново.

Интерфейс памяти

У интерфейсной части памяти следует выделить линии адреса и линии данных. Линии адреса указывают на адрес ячейки, а линии данных производят чтение и запись памяти.

Не забываем оставлять