Ассоциативная память. Развитие ассоциативной памяти Ассоциативная память

В ассоциативной памяти элементы выбираются не по адресу, а по содержимому. Поясним последнее понятие более подробно. Для памяти с адресной организацией было введено понятие минимальной адресуемой единицы (МАЕ) как порции данных, имеющей индивидуальный адрес. Введем аналогичное понятие для ассоциативной памяти , и будем эту минимальную единицу хранения в ассоциативной памяти называть строкой ассоциативной памяти (СтрАП). Каждая СтрАП содержит два поля: поле тега (англ. tag - ярлык, этикетка, признак) и поле данных. Запрос на чтение к ассоциативной памяти словами можно выразить следующим образом: выбрать строку (строки), у которой (у которых) тег равен заданному значению.

Особо отметим, что при таком запросе возможен один из трех результатов:

имеется в точности одна строка с заданным тегом;
имеется несколько строк с заданным тегом;
нет ни одной строки с заданным тегом.

Поиск записи по признаку - это действие, типичное для обращений к базам данных, и поиск в базе зачастую чвляется ассоциативным поиском. Для выполнения такого поиска следует просмотреть все записи и сравнить заданный тег с тегом каждой записи. Это можно сделать и при использовании для хранения записей обычной адресуемой памяти (и понятно, что это потребует достаточно много времени - пропорционально количеству хранимых записей!). Об ассоциативной памяти говорят тогда, когда ассоциативная выборка данных из памяти поддержана аппаратно. При записи в ассоциативную память элемент данных помещается в СтрАП вместе с присущим этому элементу тегом. Для этого можно использовать любую свободную СтрАП. Рассмотрим разновидности структурной организации КЭШ-памяти или способы отображения оперативной памяти на КЭШ .

Полностью ассоциативный КЭШ

Схема полностью ассоциативного КЭШа представлена на рисунке (см. рисунок ниже).

Опишем алгоритм работы системы с КЭШ-памятью. В начале работы КЭШ-память пуста. При выполнении первой же команды во время выборки ее код, а также еще несколько соседних байтов программного кода, - будут перенесены (медленно) в одну из строк КЭШа, и одновременно старшая часть адреса будет записана в соответствующий тег. Так происходит заполнение КЭШ-строки.

Если следующие выборки возможны из этого участка, они будут сделаны уже из КЭШа (быстро) - "КЭШ-попадание". Если же окажется, что нужного элемента в КЭШе нет, - "КЭШ-промахом". В этом случае обращение происходит к ОЗУ (медленно), и при этом одновременно заполняется очередная КЭШ-строка.

Схема полностью ассоциативной КЭШ-памяти

Обращение к КЭШу происходит следующим образом. После формирования исполнительного адреса его старшие биты, образующие тег, аппаратно (быстро) и одновременно сравниваются с тегами всех КЭШ-строк. При этом возможны только две ситуации из трех, перечисленных ранее: либо все сравнения дадут отрицательный результат (КЭШ-промах), либо положительный результат сравнения будет зафиксирован в точности для одной строки (КЭШ-попадание).

При считывании, если зафиксировано КЭШ-попадание, младшие разряды адреса определяют позицию в КЭШ-строке, начиная с которой следует выбирать байты, а тип операции определяет количество байтов. Очевидно, что если длина элемента данных превышает один байт, то возможны ситуации, когда этот элемент (частями) расположен в двух (или более) разных КЭШ-строках, тогда время на выборку такого элемента увеличится. Противодействовать этому можно, выравнивая операнды и команды по границам КЭШ-строк, что и учитывают при разработке оптимизирующих трансляторов или при ручной оптимизации кода.

Если произошел КЭШ-промах, а в КЭШе нет свободных строк, необходимо заменить одну строку КЭШа на другую строку.

Основная цель стратегии замещения - удерживать в КЭШ-памяти строки, к которым наиболее вероятны обращения в ближайшем будущем, и заменять строки, доступ к которым произойдет в более отдаленном времени или вообще не случится. Очевидно, что оптимальным будет алгоритм, который замещает ту строку, обращение к которой в будущем произойдет позже, чем к любой другой строке-КЭШ.

К сожалению, такое предсказание практически нереализуемо, и приходится привлекать алгоритмы, уступающие оптимальному. Вне зависимости от используемого алгоритма замещения, для достижения высокой скорости он должен быть реализован аппаратными средствами.

Среди множества возможных алгоритмов замещения наиболее распространенными являются четыре, рассматриваемые в порядке уменьшения их относительной эффективности. Любой из них может быть применен в полностью ассоциативном КЭШ.

Наиболее эффективным является алгоритм замещения на основе наиболее давнего использования (LRU - Least Recently Used ), при котором замещается та строка КЭШ-памяти, к которой дольше всего не было обращения. Проводившиеся исследования показали, что алгоритм LRU, который "смотрит" назад, работает достаточно хорошо в сравнении с оптимальным алгоритмом, "смотрящим" вперед.

Наиболее известны два способа аппаратурной реализации этого алгоритма. В первом из них с каждой строкой КЭШ-памяти ассоциируют счетчик. К содержимому всех счетчиков через определенные интервалы времени добавляется единица. При обращении к строке ее счетчик обнуляется. Таким образом, наибольшее число будет в счетчике той строки, к которой дольше всего не было обращений и эта строка - первый кандидат на замещение.

Второй способ реализуется с помощью очереди, куда в порядке заполнения строк КЭШ-памяти заносятся ссылки на эти строки. При каждом обращении к строке ссылка на нее перемещается в конец очереди. В итоге первой в очереди каждый раз оказывается ссылка на строку, к которой дольше всего не было обращений. Именно эта строка прежде всего и заменяется.

Другой возможный алгоритм замещения - алгоритм, работающий по принципу "первый вошел, первый вышел" (FIFO - First In First Out ). Здесь заменяется строка, дольше всего находившаяся в КЭШ-памяти. Алгоритм легко реализуется с помощью рассмотренной ранее очереди, с той лишь разницей, что после обращения к строке положение соответствующей ссылки в очереди не меняется.

Еще один алгоритм - замена наименее часто использовавшейся строки (LFU - Least Frequently Used). Заменяется та строка в КЭШ-памяти, к которой было меньше всего обращений. Принцип можно воплотить на практике, связав каждую строку со счетчиком обращений, к содержимому которого после каждого обращения добавляется единица. Главным претендентом на замещение является строка, счетчик которой содержит наименьшее число.

Простейший алгоритм - произвольный выбор строки для замены. Замещаемая строка выбирается случайным образом. Реализовано это может быть, например, с помощью счетчика, содержимое которого увеличивается на единицу с каждым тактовым импульсом, вне зависимости от того, имело место попадание или промах. Значение в счетчике определяет заменяемую строку.

Кроме тега и байтов данных в КЭШ-строке могут содержаться дополнительные служебные поля, среди которых в первую очередь следует отметить бит достоверности V (от valid - действительный имеющий силу) и бит модификации M (от modify - изменять, модифицировать). При заполнении очередной КЭШ-строки V устанавливается в состояние "достоверно", а M - в состояние "не модифицировано". В случае, если в ходе выполнения программы содержимое данной строки было изменено, переключается бит M, сигнализируя о том, что при замене данной строки ее содержимое следует переписать в ОЗУ. Если по каким-либо причинам произошло изменение копии элемента данной строки, хранимого в другом месте (например в ОЗУ), переключается бит V. При обращении к такой строке будет зафиксирован КЭШ-промах (несмотря на то, что тег совпадает), и обращение произойдет к основному ОЗУ. Кроме того, служебное поле может содержать биты, поддерживающие алгоритм LRU.

Оценка объема оборудования

Типовой объем КЭШ-памяти в современной системе - 8…1024 кбайт, а длина КЭШ-строки 4…32 байт. Дальнейшая оценка делается для значений объема КЭШа 256 кбайт и длины строки 32 байт, что характерно для систем с процессорами Pentium и PentiumPro. Длина тега при этом равна 27 бит, а количество строк в КЭШе составит 256К/ 32=8192. Именно столько цифровых компараторов 27 битных кодов потребуется для реализации вышеописанной структуры.

Приблизительная оценка затрат оборудования для построения цифрового компаратора дает значение 10 транз/бит, а общее количество транзисторов только в блоке компараторов будет равно:

10*27*8192 = 2 211 840,

что приблизительно в полтора раза меньше общего количества транзисторов на кристалле Pentium. Таким образом, ясно, что описанная структура полностью ассоциативной КЭШ-памяти () реализуема только при малом количестве строк в КЭШе, т.е. при малом объеме КЭШа (практически не более 32…64 строк). КЭШ большего объема строят по другой структуре.

многоуровневой таблице страниц требует нескольких обращений к основной памяти, поэтому занимает много времени. В некоторых случаях такая задержка недопустима. Проблема ускорения поиска решается на уровне архитектуры компьютера.

В соответствии со свойством локальности большинство программ в течение некоторого промежутка времени обращаются к небольшому количеству страниц, поэтому активно используется только небольшая часть таблицы страниц .

Естественное решение проблемы ускорения – снабдить компьютер аппаратным устройством для отображения виртуальных страниц в физические без обращения к таблице страниц , то есть иметь небольшую, быструю кэш-память, хранящую необходимую на данный момент часть таблицы страниц . Это устройство называется ассоциативной памятью , иногда также употребляют термин буфер поиска трансляции (translation lookaside buffer – TLB).

Одна запись таблицы в ассоциативной памяти (один вход) содержит информацию об одной виртуальной странице: ее атрибуты и кадр, в котором она находится. Эти поля в точности соответствуют полям в таблице страниц .

Так как ассоциативная память содержит только некоторые из записей таблицы страниц , каждая запись в TLB должна включать поле с номером виртуальной страницы . Память называется ассоциативной , потому что в ней происходит одновременное сравнение номера отображаемой виртуальной страницы с соответствующим полем во всех строках этой небольшой таблицы . Поэтому данный вид памяти достаточно дорого стоит. В строке, поле виртуальной страницы которой совпало с искомым значением, находится номер страничного кадра. Обычное число записей в TLB от 8 до 4096. Рост количества записей в ассоциативной памяти должен осуществляться с учетом таких факторов, как размер кэша основной памяти и количества обращений к памяти при выполнении одной команды.

Рассмотрим функционирование менеджера памяти при наличии ассоциативной памяти .

В начале информация об отображении виртуальной страницы в физическую отыскивается в ассоциативной памяти . Если нужная запись найдена – все нормально, за исключением случаев нарушения привилегий, когда запрос на обращение к памяти отклоняется.

Если нужная запись в ассоциативной памяти отсутствует, отображение осуществляется через таблицу страниц . Происходит замена одной из записей в ассоциативной памяти найденной записью из таблицы страниц . Здесь мы сталкиваемся с традиционной для любого кэша проблемой замещения (а именно какую из записей в кэше необходимо изменить). Конструкция ассоциативной памяти должна организовывать записи таким образом, чтобы можно было принять решение о том, какая из старых записей должна быть удалена при внесении новых.

Число удачных поисков номера страницы в ассоциативной памяти по отношению к общему числу поисков называется hit (совпадение) ratio (пропорция, отношение). Иногда также используется термин "процент попаданий в кэш". Таким образом, hit ratio – часть ссылок, которая может быть сделана с использованием ассоциативной памяти . Обращение к одним и тем же страницам повышает hit ratio. Чем больше hit ratio, тем меньше среднее время доступа к данным, находящимся в оперативной памяти.

Предположим, например, что для определения адреса в случае кэш-промаха через таблицу страниц необходимо 100 нс, а для определения адреса в случае кэш-попадания через ассоциативную память – 20 нс . С 90% hit ratio среднее время определения адреса – 0,9x20+0,1x100 = 28 нс .

Вполне приемлемая производительность современных ОС доказывает эффективность использования ассоциативной памяти . Высокое значение вероятности нахождения данных в ассоциативной памяти связано с наличием у данных объективных свойств: пространственной и временной локальности.

Необходимо обратить внимание на следующий факт. При переключении контекста процессов нужно добиться того, чтобы новый процесс "не видел" в ассоциативной памяти информацию, относящуюся к предыдущему процессу, например очищать ее. Таким образом, использование ассоциативной памяти увеличивает время переключения контекста.

Рассмотренная двухуровневая (ассоциативная память + таблица страниц ) схема преобразования адреса является ярким примером иерархии памяти, основанной на использовании принципа локальности, о чем говорилось во введении к предыдущей лекции.

Инвертированная таблица страниц

Несмотря на многоуровневую организацию, хранение нескольких таблиц страниц большого размера по-прежнему представляют собой проблему. Ее значение особенно актуально для 64-разрядных архитектур, где число виртуальных страниц очень велико. Вариантом решения является применение инвертированной таблицы страниц (inverted page table). Этот подход применяется на машинах PowerPC, некоторых рабочих станциях Hewlett-Packard, IBM RT, IBM AS/400 и ряде других.

В этой таблице содержится по одной записи на каждый страничный кадр физической памяти. Существенно, что достаточно одной таблицы для всех процессов. Таким образом, для хранения функции отображения требуется фиксированная часть основной памяти, независимо от разрядности архитектуры, размера и количества процессов.

Несмотря на экономию оперативной памяти, применение инвертированной таблицы имеет существенный минус – записи в ней (как и в ассоциативной памяти ) не отсортированы по возрастанию номеров виртуальных страниц, что усложняет трансляцию адреса. Один из способов решения данной проблемы – использование хеш-таблицы виртуальных адресов . При этом часть виртуального адреса , представляющая собой номер страницы, отображается в хеш-таблицу с использованием функции хеширования. Каждой странице физической памяти здесь соответствует одна запись в хеш-таблице и инвертированной таблице страниц . Виртуальные адреса , имеющие одно значение хеш-функции, сцепляются друг с другом. Обычно длина цепочки не превышает двух записей.

Размер страницы

Разработчики ОС для существующих машин редко имеют возможность влиять на размер страницы. Однако для вновь создаваемых компьютеров решение относительно оптимального размера страницы является актуальным. Как и следовало ожидать, нет одного наилучшего размера. Скорее есть набор факторов, влияющих на размер. Обычно размер страницы – это степень двойки от 2 9 до 2 14 байт.

Поиск номера кадра, соответствующего нужной странице, в многоуровневой таблице страниц требует нескольких обращений к основной памяти, поэтому занимает много времени. В некоторых случаях такая задержка недопустима. Проблема ускорения поиска решается на уровне архитектуры компьютера.

Естественное решение проблемы ускорения - снабдить компьютер аппаратным устройством для отображения виртуальных страниц в физические без обращения к таблице страниц, то есть иметь небольшую, быструю кэш-память, хранящую необходимую на данный момент часть таблицы страниц. Это устройство называется ассоциативной памятью, иногда также употребляют термин буфер поиска трансляции (translation lookaside buffer - TLB).

Так как ассоциативная память содержит только некоторые из записей таблицы страниц, каждая запись в TLB должна включать поле с номером виртуальной страницы. Память называется ассоциативной, потому что в ней происходит одновременное сравнение номера отображаемой виртуальной страницы с соответствующим полем во всех строках этой небольшой таблицы. Поэтому данный вид памяти достаточно дорого стоит. В строке, поле виртуальной страницы которой совпало с искомым значением, находится номер страничного кадра. Обычное число записей в TLB от 8 до 4096. Рост количества записей в ассоциативной памяти должен осуществляться с учетом таких факторов, как размер кэша основной памяти и количества обращений к памяти при выполнении одной команды.

Рассмотрим функционирование менеджера памяти при наличии ассоциативной памяти.

Вначале информация об отображении виртуальной страницы в физическую отыскивается в ассоциативной памяти. Если нужная запись найдена - все нормально, за исключением случаев нарушения привилегий, когда запрос на обращение к памяти отклоняется.

Если нужная запись в ассоциативной памяти отсутствует, отображение осуществляется через таблицу страниц. Происходит замена одной из записей в ассоциативной памяти найденной записью из таблицы страниц. Здесь мы сталкиваемся с традиционной для любого кэша проблемой замещения (а именно - какую из записей в кэше необходимо изменить). Конструкция ассоциативной памяти должна организовывать записи таким образом, чтобы можно было принять решение о том, какая из старых записей должна быть удалена при внесении новых.

Число удачных поисков номера страницы в ассоциативной памяти по отношению к общему числу поисков называется hit (совпадение) ratio (пропорция, отношение). Иногда также используется термин «процент попаданий в кэш». Таким образом, hit ratio - часть ссылок, которая может быть сделана с использованием ассоциативной памяти. Обращение к одним и тем же страницам повышает hit ratio. Чем больше hit ratio, тем меньше среднее время доступа к данным, находящимся в оперативной памяти.

Предположим, например, что для определения адреса в случае кэш-промаха через таблицу страниц необходимо 100 не, а для определения адреса в случае кэш-попадания через ассоциативную память - 20 не. С 90% hit ratio среднее время определения адреса - 0,9x20 + 0,1x100 = 28 не.

Вполне приемлемая производительность современных ОС доказывает эффективность использования ассоциативной памяти. Высокое значение вероятности нахождения данных в ассоциативной памяти связано с наличием у данных объективных свойств: пространственной и временной локальности.

Необходимо обратить внимание на следующий факт. При переключении контекста процессов нужно добиться того, чтобы новый процесс «не видел» в ассоциативной памяти информацию, относящуюся к предыдущему процессу, например очищать ее. Таким образом, использование ассоциативной памяти увеличивает время переключения контекста.

Рассмотренная двухуровневая (ассоциативная память + таблица страниц) схема преобразования адреса является ярким примером иерархии памяти, основанной на использовании принципа локальности, о чем говорилось во введении к предыдущей лекции.

Способы организации памяти

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Способы организации памяти
Рубрика (тематическая категория)	Компьютеры

Функционально ЗУ любого типа всегда состоят из запоминающего массива, хранящего информацию, и вспомогательных, весьма сложных блоков, служащих для поиска в массиве, записи и считывания (и, в случае если требуется, для регенерации).

Запоминающий массив (ЗМ) состоит из множества одинаковых запоминающих элементов (ЗЭ). Все ЗЭ организованы в ячейки, каждая из которых предназначена для хранения единицы информации в виде двоичного кода, число разрядов которого определяется шириной выборки. Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в ЗМ. По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую память.

АДРЕСНАЯ ПАМЯТЬ

В памяти с адресной организацией размещение и поиск информации в ЗМ основаны на использовании адреса хранения единицы информации, которую в дальнейшем для краткости будем называть словом . Адресом служит номер ячейки ЗМ, в которой это слово размещается. При записи (считывании) слова в ЗМ инициирующая эту операцию команда должна указывать адрес (номер) ячейки, по которому нужно произвести запись (считывание).

На рис. 5.2 изображена обобщенная структура адресной памяти.

Цикл обращения к памяти инициализируется поступающим в БУП сигналом "Обращение". Общая часть цикла обращения включает в себя прием в РгА с шины адреса (ША) адреса обращения и прием в БУП управляющего сигнала "Операция", указывающего вид запрашиваемой операции (считывание или запись).

Считывание . БАВ дешифрирует адрес и посылает сигнал, выделяющий заданную адресом ячейку ЗМ. В общем случае БАВ может также посылать в выделенную ячейку памяти сигналы, настраивающие ЗЭ ячейки на запись или считывание. После этого записанное в ячейку слово считывается усилителями БУС и передается в РгИ. Далее в памяти с разрушающим считыванием происходит регенерация информации путем записи слова из РгИ через БУЗ в ту же ячейку ЗМ. Операция считывания завершается выдачей слова из РгИ на выходную информационную шину ШИ вых.

Запись. Помимо указанной выше общей части цикла обращения происходит прием записываемого слова с входной шины ШИ вх в РгИ. Сама запись в общем случае состоит из двух операций – очистки ячейки и собственно записи. Для этого БАВ сначала производит выборку и очистку ячейки, заданной адресом в РгА. Очистка ячейки ЗМ (приведение в исходное состояние) может осуществляться по-разному. В частности, в памяти с разрушающим считыванием очистку можно производить сигналом считывания слова в ячейке при блокировке БУС (чтобы в РгИ не поступила информация). Далее в выбранную ячейку записывается новое слово.

Необходимость в операции очистки ячейки перед записью, так же как и в операции регенерации информации при считывании, определяется типом используемых ЗЭ, способами управления, особенностями электронной структуры БИС памяти, в связи с этим в полупроводниковых памятях эти операции могут отсутствовать.

БУП генерирует необходимые последовательности управляющих сигналов, инициирующих работу отдельных узлов памяти. Следует иметь в виду, что БУП должна быть весьма сложным устройством (своеобразным управляющим контроллером, имеющим собственную кэш-память), придающим БИСу памяти в целом специальные потребительские свойства, такие как многопортовость, конвейерная выдача информации и т.п.

АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ

В памяти этого типа поиск информации происходит не по адресу, а по ее содержанию. Под содержанием информации в данном случае принято понимать не смысловая нагрузка лежащего на хранении в ячейке памяти слова, а содержание ЗЭ ячейки памяти, ᴛ.ᴇ. побитовый состав записанного двоичного слова. При этом ассоциативный запрос (признак) также представляет собой двоичный код с определенным побитовым составом. Поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек ЗМ и представляет собой операцию сравнения содержимого разрядов регистра признака с содержимым соответствующих разрядов ячеек памяти. Для организации такого поиска все ЗЭ ЗМ снабжены однобитовыми процессорами, в связи с этим в ряде случаев память такого типа рассматривают как многопроцессорную систему.

Полностью ассоциативная память большого объёма является очень дорогостоящим устройством, в связи с этим для ее удешевления уменьшают число однобитовых процессоров до одного на ячейку памяти. В этом случае сравнение ассоциативного запроса с содержимым ячеек памяти идет последовательно для отдельных разрядов, параллельно во времени для всех ячеек ЗМ.

При очень больших объёмах памяти на определенных классах задач ассоциативный поиск существенно ускоряет обработку данных и уменьшает вероятность сбоя в ЭВМ. Вместе с тем, ассоциативные ЗУ с блоками соответствующих комбинационных схем позволяют выполнить в памяти достаточно сложные логические операции: поиск максимального или минимального числа в массиве, поиск слов, заключенных в определенные границы, сортировку массива и т.д.

Следует отметить, что ассоциативный поиск можно реализовать и в компьютере с обычной адресной памятью, последовательно вызывая записанные в ячейки памяти слова в процессор и сравнивая их с некоторым ассоциативным признаком (шаблоном). При этом при больших объёмах памяти на это будет затрачено много времени. При использовании ассоциативной памяти можно, не считывая слов из ОП в процессор, за одно обращение определить количество слов, отвечающих тому или иному ассоциативному запросу. Это позволяет в больших базах данных очень оперативно реализовать запрос типа: сколько жителей области не представило декларацию о доходах и т.п.

В некоторых специализированных ЭВМ ОП или его часть строится таким образом, что позволяет реализовать как ассоциативный, так и адресный поиск информации.

Упрощенная структурная схема ассоциативной памяти, в которой все ЗЭ ЗМ снабжены однобитовыми процессорами, приведена на рис. 5.3.

Первоначально рассмотрим операцию, называющуюся контроль ассоциации . Эта операция является общей для операции считывания и записи, а также имеет самостоятельное значение.

По входной информационной шине в РгАП поступает n-разрядный ассоциативный запрос, ᴛ.ᴇ. заполняются разряды от 0 до n-1. Одновременно в РгМ поступает код маски поиска, при этом n-й разряд РгМ устанавливается в 0. Ассоциативный поиск производится лишь для совокупности разрядов РгАП, которым соответствуют 1 в РгМ (незамаскированные разряды РгАП). Важно заметить, что для слов, в которых цифры в разрядах совпали с незамаскированными разрядами РгАП, КС устанавливает 1 в соответствующие разряды РгСв и 0 в остальные разряды.

Комбинационная схема формирования результата ассоциативного обращения ФС формирует из слова, образовавшегося в РгСв, как минимум три сигнала:

A 0 – отсутствие в ЗМ слов, удовлетворяющих ассоциативному признаку;

A 1 – наличие одного такого слова;

A 2 – наличие более чем одного слова.

Возможны и другие операции над содержимым РгСв, к примеру подсчет количества единиц, ᴛ.ᴇ. подсчет слов в памяти, удовлетворяющих ассоциативному запросу, и т.п.

Формирование содержимого РгСв и a 0 , a 1 , a 2 по содержимому РгАП, РгМ, ЗМ и принято называть операцией контроля ассоциации.

Считывание. Сначала производится контроль ассоциации по признаку в РгАП.

A 0 = 1 – считывание отменяется из-за отсутствия искомой информации;

A 1 = 1 – считывается в РгИ найденное слово, после чего выдается на ШИ вых;

A 2 = 1 – считывается слово, имеющее, к примеру, наименьший номер среди ячеек, отмеченных 1 в РгСв, после чего выдается на ШИ вых.

Запись. Сначала отыскивается свободная ячейка (полагаем, что в разряде занятости свободной ячейки записан 0). Для этого выполняется контроль ассоциации при РгАП=111...10 и РгМ=000...01, ᴛ.ᴇ. n-й разряд РгАП устанавливается в 0, а n-й разряд РгМ – в 1. При этом свободная ячейка отмечается 1 в РгСв. Для записи выбирают свободную ячейку, к примеру, с наименьшим номером. В нее записывается слово, поступившее с ШИ вх в РгИ.

Следует отметить, что на данной схеме не изображены блоки БУП, БУС, БУЗ, которые есть в реальных устройствах. Вместе с тем, для построения ассоциативной памяти требуются запоминающие элементы, допускающие считывание без разрушения.

СТЕКОВАЯ ПАМЯТЬ (МАГАЗИННАЯ)

Стековая память, так же как и ассоциативная, является безадресной. Стековая память должна быть организована как аппаратно, так и на обычном массиве адресной памяти.

В случае аппаратной реализации ячейки стековой памяти образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов (рис. 5.4). При этом возможны два типа устройств (а, б), принципы функционирования которых различны. Рассмотрим первоначально структуру на рис. 5.4, а.

Запись нового слова, поступившего с ШИ вх, производится в верхнюю (нулевую) ячейку, при этом все ранее записанные слова (включая слово в ячейке 0) сдвигаются вниз, в соседние ячейки, номера которых на единицу больше. Считывание возможно только из верхней (нулевой) ячейки памяти. Основной режим - ϶ᴛᴏ считывание с удалением. При этом все остальные слова в памяти сдвигаются вверх, в соседние ячейки с меньшими номерами. В такой памяти реализуется правило: последний пришел – первый ушел . Стеки подобного типа принято называть стеками LIFO (Last In – First Out).

В ряде случаев устройства стековой памяти предусматривают также операцию простого считывания слова из ячейки 0 без его удаления и сдвига остальных слов. При использовании стека для запоминания параметров инициализации контроллеров каких-либо устройств ЭВМ обычно предусматривается возможность считывания содержимого любой ячейки стека без его удаления, ᴛ.ᴇ. считывание содержимого не только ячейки 0.

О первом слове, посылаемом в стек, говорят, что оно располагается на дне стека . О последнем посланном (по времени) в стек слове говорят, что оно находится в вершине стека . Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ячейка N-1 – дно стека, а ячейка 0 – вершина.

Обычно аппаратный стек снабжается счетчиком стека СчСт, показывающим общее количество занесенных в память слов (СчСт = 0 – стек пустой). При заполнении стека полностью он запрещает дальнейшие операции записи.

Стековый принцип организации памяти можно реализовать не только в специально предназначенных для этого устройствах. Стековая организация данных возможна и на обычной адресной памяти с произвольным обращением (программный стек). Для организации стека LIFO в данном случае необходима еще одна ячейка памяти (регистр), в которой всегда хранится адрес вершины стека и которая принято называть указателем стека . Обычно в качестве указателя стека используют один из внутренних регистров процессора. Кроме этого, требуется соответствующее программное обеспечение. Принципы стековой организации данных на обычной адресной памяти иллюстрируются схемой на рис. 5.5.

В отличие от аппаратного стека данные, размещенные в программном стеке, при записи нового числа или считывании не перемещаются. Запись каждого нового слова осуществляется в ячейку памяти, следующую по порядку за той, адрес которой содержится в указателе стека. После записи нового слова содержимое указателя стека увеличивается на единицу (см. рис. 6.5). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в программном стеке перемещаются не данные, а вершина стека. При считывании слова из стека происходит обратный процесс. Слово считывается из ячейки, адрес которой находится в указателе стека, после чего содержимое указателя стека уменьшается на единицу.

В случае если вновь загружаемые в стек слова размещаются в ячейках памяти с последовательно увеличивающимися адресами, стек называют прямым. В случае если адреса последовательно убывают, то – перевернутым. В большинстве случаев используется перевернутый стек, что связано с особенностями аппаратной реализации счетчиков внутри процессора.

Чем удобна такая форма организации памяти? Забегая вперед, можно отметить, что любая команда, выполняемая в процессоре, в общем случае должна содержать код операции (КОП), адрес первого и второго операндов и адрес занесения результата. Для экономии памяти и сокращения времени выполнения машинной команды процессором желательно уменьшить длину команды. Пределом такого уменьшения является длина безадресной команды, ᴛ.ᴇ. просто КОП. Именно такие команды оказываются возможными при стековой организации памяти, так как при правильном расположении операндов в стеке достаточно последовательно их извлекать и выполнять над ними соответствующие операции.

Помимо рассмотренной выше стековой памяти типа LIFO в ЭВМ используются стековые памяти другого типа, реализующие правило: первый пришел – первый ушел . Стеки подобного типа принято называть стеками FIFO (First In – First Out). Такая стековая память широко используется для организации различного рода очередей (команд, данных, запросов и т.д.). Обобщенная структура аппаратного стека типа FIFO представлена на рис. 5.4, б.

Как и в предыдущем случае, ячейки стековой памяти образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Запись нового слова, поступившего с ШИ вх, осуществляется в верхнюю (нулевую) ячейку, после чего оно сразу перемещается вниз и записывается в последнюю по счету незаполненную ячейку. В случае если стек перед записью был пустой, слово сразу попадает в ячейку с номером N-1, ᴛ.ᴇ. на дно стека. Считывание возможно только из нижней ячейки с номером N-1 (дно стека). Основной режим - ϶ᴛᴏ считывание с удалением. При этом все последующие (записанные) слова сдвигаются вниз, в соседние ячейки, номера которых на единицу больше. При заполнении стека счетчик (СчСт) запрещает дальнейшие операции записи в стек.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в отличие от стека LIFO, в стеке FIFO перемещается не дно, а вершина. Записываемые в стек FIFO слова постепенно продвигаются от вершины ко дну, откуда и считываются по мере крайне важно сти, причем темп записи и считывания определяются внешними управляющими сигналами и не связаны друг с другом.

Программная реализация стека FIFO в настоящем разделе не рассматривается, поскольку на практике используется достаточно редко.

Способы организации памяти - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Способы организации памяти" 2017, 2018.

Общие сведения и классификация устройств памяти

Лекция 2. Организация памяти ЭВМ.

МинисуперЭВМ и суперминиЭВМ.

Малые и микроЭВМ.

Имеется большое число, условно говоря, «малых» применений вычислительных машин, таких, как автоматизация производственного контроля изделий, обработка данных при экспериментах, прием и обработка данных с линии связи, управление технологическими процессами, управление станками и разнообразными цифровыми терминалами, малые расчетные инженерные задачи.

В настоящее время малые и микроЭВМ встраивают в различные «умные» приборы (электросчетчики, микроволновки, стиральные машины, модемы, датчики и т.д.).

В классификации отсутствуют четкие границы между рассмотренными типами ЭВМ. В последнее время стали выделять два промежуточных типа.

К суперминиЭВМ относят высокопроизводительные ЭВМ содержащих один или несколько слабосвязанных процессоров, объединенных с общей магистралью (общей шиной). Для суперминиЭВМ характерно, что скорость выполнения его арифметических операций над числами с плавающей точкой существенно ниже скорости работы, определяемой по смеси команд, соответствующей информационно-логическим запросам. К этому типу можно отнести IBM-овский шахматный компьютер Deep Blue.

МинисуперЭВМ – это упрощенные (в частности за счет более короткого слова) многопроцессорные ЭВМ, чаще всего со средствами векторной и конвейерной обработки, с высокой скоростью выполнения операций над числами с плавающей точкой. К этому типу можно отнести ЭВМ с SMP(Symmetric multiprocessor) архитектурой.

Запоминающие устройства можно классифицировать по следующим критериям: · по типу запоминающих элементов · по функциональному назначению · по типу способу организации обращения · по характеру считывания · по способу хранения · по способу организации По типу запоминающих элементов Полупроводниковые Магнитные Конденсаторные Оптоэлектронные Голографические Криогенные По функциональному назначению ОЗУ СОЗУ ВЗУ ПЗУ ППЗУ

По способу организации обращения С последовательным поиском С прямым доступом С непосредственным доступом или Адресные Ассоциативные Стековые Магазинные По характеру считывания С разрушением информации Без разрушения информации По способу хранения Статические Динамические По способу организации Однокоординатные Двухкоординатные Трехкоординатные Двух- трехкоординатные

Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называют запоминающими устройствами или памятями того или иного типа.

Производительность и вычислительные возможности ЭВМ в значительной степени определяются составом и характеристиками ее ЗУ. В составе ЭВМ используется одновременно несколько типов ЗУ, отличающихся принципом действия, характеристиками и назначением.

Основными операциями в памяти являются занесение информации в память - запись и выборка информации из памяти - считывание . Обе эти операции называются обращением к памяти .

При обращении к памяти производится считывание или запись некоторой единицы данных - различной для устройств разного типа. Такой единицей может быть, например, байт, машинное слово или блок данных.

Важнейшими характеристиками отдельных устройств памяти (запоминающих устройств) являются емкость памяти, удельная емкость, быстродействие.

Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться.

Удельная емкость есть отношение емкости ЗУ к его физическому объему.

Плотность записи есть отношение емкости ЗУ к площади носителя. Например, у HDD емкостью до 10 Гб плотность записи составляет 2 Гбит на кв. дюйм.

Быстродействие памяти определяется продолжительностью операции обращения, т. е. временем, затрачиваемым на поиск нужной единицы информации в памяти и на ее считывание (время обращения при считывании ), или временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения данной единицы информации, и на ее запись в память (время обращения при записи ).

Продолжительность обращения к памяти (время цикла памяти) при считывании

где - время доступа, определяющееся промежутком времени между моментом начала операции обращения при считывании до момента, когда становится возможным доступ к данной единице информации; - продолжительность самого физического процесса считывания, т. е. процесса обнаружения и фиксации состояний соответствующих запоминающих элементов или участков поверхности носителя информации.

В некоторых устройствах памяти считывание информации сопровождается ее разрушением (стиранием). В таком случае цикл обращения должен содержать операцию восстановления (регенерации) считанной информации на прежнем месте в памяти.

Продолжительность обращения (время цикла) при записи

где - время доступа при записи, т. е. время от момента начала обращения при записи до момента, когда становится возможным доступ к запоминающим элементам (или участкам поверхности носителя), в которые производится запись; - время подготовки, расходуемое на приведение в исходное состояние запоминающих элементов или участков поверхности носителя информации для записи определенной единицы информации (например, байта или слова); - время занесения информации, т. е. изменения состояния запоминающих элементов (участков поверхности носителя). Большей частью

В качестве продолжительности цикла обращения к памяти принимается величина

В зависимости от реализуемых в памяти операций обращения различают: а) память с произвольным обращением (возможны считывание и запись данных в память); б) память только для считывания информации («постоянная» или «односторонняя»). Запись информации в постоянную память производится в процессе ее изготовления или настройки.

Эти типы памяти соответствуют терминам RAM (random access memory - память с произвольным обращением) и ROM (read only memory - память только для считывания).

По способу организации доступа различают устройства памяти с непосредственным (произвольным), с прямым (циклическим) и последовательным доступами.

В памяти с непосредственным (произвольным) доступом время доступа, а поэтому и цикл обращения не зависят от места расположения участка памяти, с которого производится считывание или в который записывается информация. В большинстве случаев непосредственный доступ реализуется при помощи электронных (полупроводниковых) ЗУ. В подобных памятях цикл обращения обычно составляет 70 и менее наносекунд. Количество разрядов, считываемых или записываемых в памяти с непосредственным доступом параллельно во времени за одну операцию обращения, называется шириной выборки .

В двух других типах памяти используются более медленные электромеханические процессы. В устройствах памяти с прямым доступом , к которым относятся дисковые устройства, благодаря непрерывному вращению носителя информации возможность обращения к некоторому участку носителя для считывания или записи циклически повторяется. В такой памяти время доступа составляет обычно от нескольких долей секунды до нескольких десятков миллисекунд.

В памяти с последовательным доступом производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок носителя не займет некоторое исходное положение. Характерным примером является ЗУ на магнитных лентах, т.н. стримеры (streamer ). Время доступа может в неблагоприятных случаях расположения информации достигнуть нескольких минут.

Хорошим примером ленточного накопителя является применение адаптера АРВИД с VHS видеомагнитофоном. Емкость этого накопителя составляет 4ГБ/180мин.

Запоминающие устройства различаются также по выполняемым в ЭВМ функциям, зависящим в частности, от места расположения ЗУ в структуре ЭВМ.

Требования к емкости и быстродействию памяти являются противоречивыми. Чем больше быстродействие, тем технически труднее достигается и дороже обходится увеличение емкости памяти. Стоимость памяти составляет значительную часть общей стоимости ЭВМ. Поэтому память ЭВМ организуется в виде иерархической структуры запоминающих устройств, обладающих различными быстродействием и емкостью. В общем случае ЭВМ содержит следующие типы памяти, в порядке убывания быстродействия и возрастания емкости.

Иерархическая структура памяти позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших объемов информации с быстрым доступом к информации в процессе обработки.

Таблица 2.1.

Оперативной или основной памятью (ОП) называют устройство, которое служит для хранения информации (данных программ, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в процессе выполнения операций в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) и устройстве управления (УУ) процессора.

В процессе обработки информации осуществляется тесное взаимодействие процессора и ОП. Из ОП в процессор поступают команды программы и операнды, над которыми производятся предусмотренные командой операции, а из процессора в ОП направляются для хранения промежуточные и конечные результаты обработки.

Характеристики ОП непосредственно влияют на основные показатели ЭВМ и в первую очередь на скорость ее работы. На текущий момент оперативная память имеет емкость от нескольких МБ до нескольких ГБ и цикл обращения около 60 нс и менее. Запоминающие устройства ОП изготовляются на интегральных микросхемах с большой степенью интеграции (полупроводниковые ЗУ).

В последнее время ряд фирм заявили о начале серийного выпуска чипов динамической памяти емкостью 1Гб. Признанным лидером является Samsung. Самым массовым изделием на сегодняшний день можно считать 64 Мб чипы. В ближайший год предполагается широкое применение 128Мб и 256Мб чипов.

В ряде случаев быстродействие ОП оказывается недостаточным, и в состав машины приходится включать СОП (буферную или кэш-память на несколько сотен или тысяч килобайт с циклом обращения, составляющим несколько наносекунд. Такие СОП выполняются на чипах статической памяти. Быстродействие КЭШа должно соответствовать скорости работы арифметико-логических и управляющих устройств процессора. Сверхоперативная (буферная) память используется для промежуточного хранения считываемых процессором из ОП участков программы и групп данных, в качестве рабочих ячеек программы, индексных регистров, для хранения служебной информации, используемой при управлении вычислительным процессом. Она выполняет роль согласующего звена между быстродействующими логическими устройствами процессора и более медленной ОП.

В качестве ОП и СОП используются быстродействующие ЗУ с произвольным обращением и непосредственным доступом.

Обычно емкость ОП оказывается недостаточной для хранения всех необходимых данных в ЭВМ. Поэтому ЭВМ содержит в своем составе несколько ЗУ с прямым доступом на дисках (емкость одного ЗУ на HDD дисках 1 - 30 Гбайт) и несколько ЗУ с последовательным доступом на магнитных лентах (емкость одного ЗУ 4 – 35 Гбайт).

Оперативная память вместе с СОП и некоторыми другими специализированными памятями процессора образуют внутреннюю память ЭВМ (рис. 4.1). Электромеханические ЗУ образуют внешнюю память ЭВМ, а сами они поэтому называются внешними запоминающими устройствами (ВЗУ).

Запоминающее устройство любого типа состоит из запоминающего массива, хранящего информацию, и блоков, служащих для поиска в массиве, записи и считывания (а в ряде случаев и для регенерации) информации.

Запоминающее устройство с произвольным обращением, как правило, содержит множество одинаковых запоминающих элементов, образующих запоминающий массив (ЗМ). Массив разделен на отдельные ячейки; каждая из них предназначена для хранения двоичного кода, число разрядов в котором определяется шириной выборки памяти (в частности, это может быть одно, половина или несколько машинных слов). Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в запоминающем массиве. По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую (магазинную) памяти.

Адресная память. В памяти с адресной организацией размещение и поиск информации в ЗМ основаны на использовании адреса хранения слова (числа, команды и т. п.). Адресом служит номер ячейки ЗМ, в которой это слово размещается.

При записи (или считывании) слова в ЗМ инициирующая эту операцию команда должна указывать адрес (номер ячейки), по которому производится запись (считывание).

Типичная структура адресной памяти, содержит запоминающий массив из N-разрядных ячеек и его аппаратное обрамление, включающее в себя регистр адреса РгА , имеющий k (k » log N) разрядов, информационный регистр РгИ , блок адресной выборки БАВ , блок усилителей считывания БУС , блок разрядных усилителей-формирователей сигналов записи БУЗ и блок управления памятью БУП .

По коду адреса в РгА БАВ формирует в соответствующей ячейке памяти сигналы, позволяющие произвести в ячейке считывание или запись слова.

Цикл обращения к памяти инициируется поступлением в БУП извне сигнала Обращение . Общая часть цикла обращения включает в себя прием в РгА с шины адреса ША адреса обращения и прием в БУП и расшифровку управляющего сигнала Операция , указывающего вид запрашиваемой операции (считывание или запись).

Далее при считывании БАВ дешифрирует адрес, посылает сигналы считывания в заданную адресом ячейку ЗМ, при этом код записанного в ячейке слова считывается усилителями считывания БУС и передается в РгИ . Операция считывания завершается выдачей слова из РгИ на выходную информационную шину ШИВых .

При записи помимо выполнения указанной выше общей части цикла обращения производится прием записываемого слова с входной информационной шины ШИВх и РгИ . Затем в выбранную БАВ ячейку записывается слово из РгИ .

Блок управления БУП генерирует необходимые последовательности управляющих сигналов, инициирующих работу отдельных узлов памяти.

Ассоциативная память. В памяти этого типа поиск нужной информации производится не по адресу, а по ее содержанию (по ассоциативному признаку). При этом поиск по ассоциативному признаку (или последовательно по отдельным разрядам этого признака) происходит параллельно во времени для всех ячеек запоминающего массива. Во многих случаях ассоциативный поиск позволяет существенно упростить и ускорить обработку данных. Это достигается за счет того, что в памяти этого типа операция считывания информации совмещена с выполнением ряда логических операций.

Типичная структура ассоциативной памяти представлена на рис. 4.3. Запоминающий массив содержит N (n+1)-разрядных ячеек. Для указания занятости ячейки используется служебный n-й разряд (0 - ячейка свободна, 1 - в ячейке записано слово).

Рис. 2.2. Структура ассоциативной памяти

По входной информационной шине ШИВх в регистр ассоциативного признака РгАП в разряды 0..n-1 поступает n-разрядный ассоциативный запрос, а в регистр маски РгМ - код маски поиска, при этом n-разряд РгМ устанавливается в 0. Ассоциативный поиск производится лишь для совокупности разрядов РгАП , которым соответствуют 1 в РгМ (незамаскированные разряды РгАП ). Для слов, в которых цифры в разрядах совпали с незамаскированными разрядами РгАП , комбинационная схема КС устанавливает в 1 соответствующие разряды регистра совпадения РгСв и 0 в остальные разряды. Таким образом, значение j -го разряда в РгСв определяется выражением

РгСв(j) =

где РгАП [i ], РгМ [i ] и ЗМ [j, i ] - значения i -го разряда соответственно РгАП, РгМ и j -и ячейки ЗМ .

Комбинационная схема формирования результата ассоциативного обращения ФС формирует из слова, образовавшегося в РгСв , сигналы a 0 , a 1 , a 2 , соответствующие случаям отсутствия слов в ЗМ , удовлетворяющих ассоциативному признаку, и наличия одного (и более) такого слова.

Формирование содержимого РгСв и сигналов a 0 , a 1 , a 2 по содержимому РгАП, РгМ и ЗМ называется операцией контроля ассоциации . Эта операция является составной частью операций считывания и записи, хотя она имеет и самостоятельное значение.

При считывании сначала производится контроль ассоциации по ассоциативному признаку в РгАП . Затем при a 0 = 1 считывание отменяется из-за отсутствия искомой информации, при a 1 = 1 считывается в РгИ найденное слово, при a 2 = 1 в РгИ считывается слово из ячейки, имеющей наименьший номер среди ячеек, отмеченных 1 у РгСв . Из РгИ считанное слово выдается на ШИВых .

При записи сначала отыскивается свободная ячейка. Для этого выполняется операция контроля ассоциации при РгАП = 111...10 и РгМ = 00...01, при этом свободные ячейки отмечаются 1 в РгСв . Для записи выбирается свободная ячейка с наименьшим номером. В нее записывается слово, поступившее с ШИВх в РгИ .

С помощью операции контроля ассоциации можно, не считывая слов из памяти, определить по содержимому РгСв , сколько в памяти слов, удовлетворяющих ассоциативному признаку, например реализовать запросы типа сколько студентов в группе имеют отличную оценку по данной дисциплине. При использовании соответствующих комбинационных схем в ассоциативной памяти могут выполняться достаточно сложные логические операции, такие, как поиск большего (меньшего) числа, поиск слов, заключенных в определенных границах, поиск максимального (минимального) числа и др. Ассоциативная память применяется, например, в аппаратуре динамического распределения ОП.

Отметим, что для ассоциативной памяти необходимы запоминающие элементы, допускающие считывание без разрушения записанной в них информации. Это связано с тем, что при ассоциативном поиске считывание производится по всему ЗМ для всех незамаскированных разрядов и негде сохранять временно разрушаемую считыванием информацию.

Стековая память , так же как и ассоциативная, является безадресной. Стековую память можно рассматривать как совокупность ячеек, образующих одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Запись нового слова производится в верхнюю ячейку (ячейку 0), при этом все ранее записанные слова (включая слово, находившееся в ячейке 0), сдвигаются вниз, в соседние ячейки с большими на 1 номерами. Считывание возможно только из верхней (нулевой) ячейки памяти, при этом, если производится считывание с удалением, все остальные слова в памяти сдвигаются вверх, в соседние ячейки с большими номерами. В этой памяти порядок считывания слов соответствует правилу: последним поступил - первым обслуживается. В ряде устройств рассматриваемого типа предусматривается также операция простого считывания слова из нулевой ячейки (без его удаления и сдвига слова в памяти). Иногда стековая память снабжается счетчиком стека СчСт , показывающим количество занесенных в память слов. Сигнал СчСт = 0 соответствует пустому стеку, СчСт = N - 1 - заполненному стеку.

Обычно стековую память организуют, используя адресную память. В этом случае счетчик стека, как правило, отсутствует, так как количество слов в памяти можно выявить по указателю стека. Широкое применение стековая память находит при обработке вложенных структур данных, при выполнении безадресных команд и прерываний.

Архитектурная организация процессора ЭВМ

Процессор занимает в архитектуре ЭВМ центральное место, осуществляя управление взаимодействием всех основных компонент, входящих в состав ЭВМ Он непосредственно осуществляет обработку информации, и программное управление данным процессом дешифрирует и выполняет команды программ, организует обращения к оперативной памяти (ОП), в нужных случаях инициирует операции ввода/вывода и работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие как от устройств ЭВМ, так и из внешней среды (организация системы прерываний). Выполнение каждой команды состоит из выполнения более мелких операций - микрокоманд, выполняющих определенные элементарные действия. Набор микрокоманд определяется системой команд и логической структурой конкретной ЭВМ. Таким образом, каждая команда ЭВМ реализуется соответствующей микропрограммой, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). В некоторых ЭВМ (в первую очередь, специализированных) все или часть команд реализуются аппаратно, что позволяет повышать их производительность за счет потери определенной части гибкости системы команд машины. Как один, так и второй способ реализации команд ЭВМ имеет свои плюсы и минусы.

Язык микропрограммирования предназначен для описания цифровых устройств, функционирующих на уровне регистров. Он имеет простые и наглядные средства описания машинных слов, регистров, шин и других базовых элементов ЭВМ. С учетом сказанного, иерархию языков описания вычислительного процесса на ЭВМ можно представить, в общем случае, на четырех уровнях: (1) булева операция (функционирование комбинационных ЛС) => (2) микрокоманда (функционирование узлов ЭВМ) => (3) команда (функционирование ЭВМ) => (4) оператор ЯВУ (описание алгоритма решаемой задачи). Для определения временных соотношений между микрокомандами устанавливается единица времени (такт), в течение которой выполняется самая продолжительная микрокоманда. Поэтому выполнение одной команды ЭВМ синхроимпульсами, генерируемыми специальным устройством процессора - тактовым генератором, тактовая частота (измеряемая в МГц) в значительной степени определяет быстродействие ЭВМ. Естественно, для других классов ЭВМ данный показатель иным образом связывается с производительностью, определяемой такими дополнительными факторами, как.

Ширина доступа в память,

Время выборки,

Разрядность,

Архитектура процессора и его сопроцессоров,

Укрупненная схема центрального процессора (ЦП) некоторой формальной ЭВМ представлена на рисунке, где изображены только основные его блоки управляющие регистры (УР), устройство управления (УУ), ПЗУ, арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистровая память (РП), кэш-память и интерфейсный блок (ИБ). Наряду с перечисленными ЦП содержит ряд других блоков (прерывания, защиты ОП, контроля и диагностики и др.), структура и назначение которых здесь не рассматриваются. Блок УУ вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микрокоманд (находящихся в ПЗУ), реализующей текущую команду. Наряду с этим УУ координирует функционирование всех устройств ЭВМ посредством посылки управляющих сигналов обмен данными ЦП <-> ОП, хранение и обработка информации, интерфейс с пользователем, тестирование и диагностика и др. Поэтому УУ целесообразно рассматривать как отдельный блок ЦП; однако на практике большинство управляющих схем распределены по всей ЭВМ. Они связаны большим числом управляющих линий, передающих сигналы для синхронизации операции во всех устройствах ЭВМ и принимающих сигналы об их состоянии. Блок УР предназначен для временного хранения управляющей информации и содержит регистры и счетчики, участвующие совместно с УУ в управлении вычислительным процессом регистр состояния ЦП, программы (ССП), счетчик команд (СК) представляет собой регистр, хранящий в ОП адрес выполняемой команды (в период выполнения текущей команды его содержимое обновляется на адрес следующей команды), регистр команд (РК) содержит выполняемую команду (его выходы связаны с управляющими схемами, генерирующими распределенные во времени сигналы, необходимые для выполнения команд)

Блок РП содержит регистры сверхоперативной памяти (более высокого быстродействия, чем ОП) небольшого объема, позволяющие повысить быстродействие и логические возможности ЦП. Эти регистры используются в командах путем сокращенной регистровой адресации (указываются только номера регистров) и служат для хранения операндов, результатов операций, в качестве базовых и индексных регистров, указателей стэка и др. В некоторых ЦП базовые и индексные регистры входят в состав блока УТ, как правило, РП выполняется в виде быстродействующих полупроводниковых интегральных запоминающих устройств

Блок АЛУ служит для выполнения арифметических и логических операций над данными, поступающими из ОП и хранящимися в РП, и работает под управлением УУ. АЛУ выполняет арифметические операции над бинарными числами с фиксированной и плавающей точками, над десятичными числами, производит обработку символьной информации над словами фиксированной и переменной длины. Логические операции производятся над отдельными битами, группами битов, байтами и их последовательностями. Тип выполняемой АЛУ операции определяется текущей командой функционирующей в данный момент программы, точнее, АЛУ служит для выполнения любой операции, задаваемой ему УУ. В общем случае обрабатываемая ЭВМ информация состоит из слов, содержащих фиксированное число n битов (например n =8. 16. 32, 64, 128 бит). В этом случае АЛУ должно иметь возможность производить операции над n-битными словами операнды поступают из ОП на регистры АЛУ, а УУ указывает операцию, которую необходимо над ними произвести, результат каждой арифметико-логической операции сохраняется в специальном регистре-сумматоре, являющимся основным регистром для арифметико-логических операций.

Сумматор соединен с вентильными схемами для выполнения необходимых операций над его содержимым и содержимым других регистров. Некоторые ЭВМ имеют несколько сумматоров, при количестве, большем 4, они выделяются в специальную группу регистров общего назначения (РОН). Конструктивно АЛУ выполняется на одном или нескольких БИС/СБИС, при этом ЦП может иметь одно АЛУ универсального назначения или несколько специализированных для отдельных видов операции. В последнем случае увеличивается структурная сложность ЦП, но повышается его быстродействие за счет специализации и упрощения схем вычисления отдельных операций. Такой подход широко используется в современных ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ для повышения их производительности Несмотря на различные классы ЭВМ, их АЛУ используют общие принципы выполнения арифметико-логических операции. Различия касаются схемотехнических решений организации АЛУ и принципов реализации операции, обеспечивающих ускорение их выполнения.

Интерфейсный блок (ИБ) обеспечивает обмен информацией ЦП с ОП и защиту участков ОП от несанкционированного для текущей программы доступа, а также связь ЦП с периферийными устройствами и другими внешними по отношению к нему устройствами (ВУ), в качестве которых могут выступать другие процессоры и ЭВМ. В частности, ИБ содержит два регистра, обеспечивающие связь с ОП - регистр адреса памяти (РАП) и регистр данных памяти (РДП). Первый регистр используется для хранения адреса ячейки ОП, с которой производится обмен данными, а второй содержит собственно данные обмена. Блок контроля и диагностики (БКД) предназначен для обнаружения сбоев и отказов узлов ЦП, восстановления работы текущей программы после сбоев и локализации неисправностей при отказах.

С учетом сказанного представим общую схему выполнения программ процессором. Выполнение программы, находящейся в ОП, начинается с того, что в СК засылается адрес первой ее команды, содержимое СК пересылается в РАП и в ОП посылается сигнал управления считыванием. Через некоторое время (соответствующее времени доступа к ОП) адресуемое слово (в данном случае первая команда программы) извлекается из ОП и загружается в РДП, затем содержимое РДП пересылается в СК. На этой стадии команда готова для декодирования ее УУ и выполнения. Если команда содержит операцию, которая должна быть выполнена АЛУ, то необходимо получить требуемые операнды. Если операнд находится в ОП (а он может быть также в УР), его необходимо выбрать из памяти. Для этого в РАП пересылается адрес операнда и начинается цикл чтения Операнд, выбранный из памяти в РДП, может быть передан в АЛУ. Выбрав таким образом один или несколько операндов, АЛУ может выполнить требуемую операцию, сохранив ее результат в одном из РОН. Если результат операции необходимо запомнить в ОП, он должен быть послан в РДП Адрес ячейки, в которую необходимо поместить результат, пересылается в РАП и начинается цикл записи. Между тем содержимое СК увеличивается, указывая следующую команду, которая должна выполняться. Таким образом, как только завершится выполнение текущей команды, может сразу же начаться выборка на выполнение следующей команды программы.

Помимо передачи данных между ОП и ЦП необходимо обеспечить обмен данными с ВУ, что делают машинные команды, управляющие вводом/выводом. Естественный порядок выполнения программ может нарушаться при поступлении сигнала прерывания. Прерывание является требованием на обслуживание, которое осуществляется ЦП, выполняющим соответствующую программу обработки прерывания (ПОП). Так как прерывание и его обработка могут изменить внутреннее состояние ЦП, то оно сохраняется в ОП перед началом работы ПОП. Сохранение состояния достигается пересылкой содержимого РК, УР и некоторой управляющей информации в ОП. После завершения ПОП состояние ЦП восстанавливается, позволяя продолжить выполнение прерванной программы.