Лекция 1. Многоуровневая компьютерная организация

Лекция 4. Память

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

 

1 Оперативная память

 

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

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

 

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

 

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

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

 

2 Постоянная память

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

3 Кэш-память

 

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

 

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

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

 

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

 

Основная идея кэш-памяти проста: в ней находятся слова, которые чаще всего используются. Если процессору нужно какое-нибудь слово, сначала он обращает- ся к кэш-памяти. Только в том случае, если слова там нет, он обращается к основ- ной памяти. Если значительная часть слов находится в кэш-памяти, среднее время доступа значительно сокращается. Таким образом, успех или неудача зависит от того, какая часть слов находится в кэш-памяти. Давно известно, что программы не обращаются к памяти наугад. Если программе нужен доступ к адресу А, то скорее всего после этого ей понадобится доступ к адресу, расположенному поблизости от А. Практически все команды обычной программы (за исключением команд пере- хода и вызова процедур) вызываются из последовательных областей памяти. Кро- ме того, большую часть времени программа тратит на циклы, когда ограниченный набор команд выполняется снова и снова. Точно так же при манипулировании матрицами программа скорее всего будет обращаться много раз к одной и той же матрице, прежде чем перейдет к чему-либо другому.

 

Ситуация, когда при последовательных обращениях к памяти в течение неко- торого промежутка времени используется только небольшая ее область, называет- ся принципом локальности. Этот принцип составляет основу всех систем кэш- памяти. Идея состоит в том, что когда определенное слово вызывается из памяти, оно вместе с соседними словами переносится в кэш-память, что позволяет при очередном запросе быстро обращаться к следующим словам. Общее устройство процессора, кэш-памяти и основной памяти иллюстрирует рисунок 12.

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

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

 

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

 

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

 

tдост = с + (1 - h)m

Если h → 1, то есть все обращения делаются только к кэш-памяти, то время доступа стремится к с. С другой стороны, если h → 0, то есть каждый раз нужно обращаться к основной памяти, то время доступа стремится к с + m: сначала тре- буется время с для проверки кэш-памяти (в данном случае безуспешной), а затем

— время m для обращения к основной памяти. В некоторых системах обращение к основной памяти может начинаться параллельно с использованием кэш-памяти, чтобы в случае кэш-промаха цикл обращения к основной памяти уже начался. Од- нако эта стратегия требует способности останавливать процесс обращения к ос- новной памяти в случае кэш-попадания, что усложняет разработку подобного компьютера.

 

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

 

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

Однако в настоящее время существует тенденция к использованию разделен- ной кэш-памяти (split cache), когда команды хранятся в одной кэш-памяти, а дан- ные — в другой. Такая архитектура также называется гарвардской (Harvard architecture), поскольку идея использования отдельной памяти для команд и от- дельной памяти для данных впервые воплотилась в компьютере Маге III, который был создан Говардом Айкеном (Howard Aiken) в Гарварде. Современные разра- ботчики пошли по этому пути, поскольку сейчас широко распространены конвей- ерные архитектуры, а при конвейерной организации должна быть возможность одновременного доступа и к командам, и к данным (операндам). Разделенная кэш- память позволяет осуществлять параллельный доступ, а общая — нет. К тому же, поскольку команды обычно не меняются во время выполнения программы, содер- жание кэша команд не приходится записывать обратно в основную память.

 

Наконец, пятый вопрос — количество блоков кэш-памяти. В настоящее время очень часто кэш-память первого уровня располагается прямо на микросхеме процессора, кэш-память второго уровня — не на самой микросхеме, но в корпусе процессора, а кэш-память третьего уровня — еще дальше от процессора.

 

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

4 Внешняя память

 

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

 

Магнитные диски.

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

 

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

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

 

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

 

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

 

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

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

 

Диски CD-ROM.

Компакт-диск изготавливается с использованием очень мощного инфракрасного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0,8 микрон в специальном стек- лянном мастер-диске. По этому мастер-диску делается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола ((поликар- бонат), и, таким образом, получается компакт-диск с тем же набором отверстий, что и в стеклянном диске. На смолу наносится очень тонкий слой алюминия, ко- торый, в свою очередь, покрывается защитным лаком. После этого наклеивается этикетка. Углубления в нижнем слое смолы называются лунками (pits), а ровные пространства между лунками — площадками (lands).

 

Лунки и площадки записываются по спирали. Запись начинается на некотором расстоянии от отверстия в центре диска и продвигается к краю, занимая 32 мм диска. Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска (примерно 600 на 1 мм).

 

Если спираль распрямить, ее длина составит 5,6 км. Спираль изображена на ри- сунке 15.

 

 

DVD диски.

Изначально аббревиатура DVD расшифровывалась как Digital Video Disk (цифро- вой видеодиск), сейчас она официально превратилась в Digital Versatile Disk (циф- ровой многоцелевой диск). DVD-диски в целом похожи на компакт-диски. Как и обычные компакт-диски, они имеют 120 мм в диаметре, создаются на основе по- ликарбоната и содержат лунки и площадки, которые освещаются лазерным дио- дом и считываются фотодетектором. Однако существует несколько различий:

♦ меньший размер лунок (0,4 микрона вместо 0,8 микрона, как у обычного ком- пакт-диска);

 

♦ более плотная спираль (0,74 микрона между дорожками вместо 1,6 микрона);

 

♦ красный лазер (с длиной волны 0,65 микрона вместо 0,78 микрона).

 

Диски Blu-Ray.

Преемником DVD можно считать технологию Blu-Ray, предусматривающую при- менение синего лазера вместо красного. Синий лазер отличается более короткой длиной волны, а значит, повышенной точностью; за счет этого обстоятельства он позволяет уменьшать размеры лунок и площадок. На односторонних дисках Blu- Ray умещается около 25 Гбайт данных; на двухсторонних — 50 Гбайт. Скорость передачи данных составляет 4,5 Мбит/с.

 

«Флэшки».

У классической flash карты (как usb flash, так и карты памяти Compact Flash, SD, MMC и т.п.) нет механических частей, она не нуждается ни в батарейках, ни в ак- кумуляторах, флешка это набор микросхем, в чипах которых способна хранится цифровая информация. Это устройство компактное, быстрое, дешёвое и не самое надёжное.

 

Каждая из микросхем флешки состоит из своего рода гнёзд (NAND Flash). При перезаписи информация записывается в одно и то же гнездо, и через некоторое время сектор может начать сбоить, что зачастую и приводит к потере данных — это самая большая проблема флешек, обратная сторона удобства и дешевизны.

 

Чем больше объем flash памяти, тем больше внутри микросхем. Все вместе они выстроены в рейд-массив, но алгоритм их сборки и взаимодействия значительно сложней, чем классический рейд-массив из жестких дисков в компьютере. Более того, на каждой из микросхем для ускорения работы и повышения надёжности применяются алгоритмы схожие с принципами действия рейд-массивов. Вдобавок к этим сложностям во флешке существует самая главная микросхема — контро- лер, управляющий всеми данными на flash, запоминающий какие секторы флешки уже начали сбоить, считающий контрольные суммы. При загрузке обычной фото- графии на flash информация не выкладывается единым куском, а распространяется по многим «хранилищам» довольно причудливым образом. Контролер «знает» о том, куда и какие части файла были положены.

 

5 Основные компоненты памяти

 

Значки, которые используются для изображения трех основных типов венти- лей, показаны на рисунке 16 а-в. Там же показаны режимы работы функции для каждой схемы.

 

Здесь А и В — входные сигналы, X — выходной сигнал. Каждая строка таб- лицы определяет выходной сигнал для различных комбинаций входных сигналов.

 

Защелки. Чтобы создать один бит памяти, нужна схема, которая каким-то об- разом «запоминает» предыдущие входные значения. Такую схему можно сконст- руировать из двух вентилей НЕ-ИЛИ, как показано на рисунке 17 (а).

Аналогичные схемы можно построить из вентилей НЕ-И, которые, по суще- ству, идентичны схемам с вентилями НЕ-ИЛИ.

 

Схема, изображенная на рисунке, называется SR-защелкой. У нее есть два входа: S (Setting — установка) и R (Resetting — сброс). У нее также есть два ком- плиментарных выхода: Q и Q.

 

Часто удобно, чтобы защелка меняла состояние только в определенные мо- менты. Чтобы достичь этой цели, немного изменим основную схему и получим синхронную SR-защелку (рисунок 18).

Эта схема имеет дополнительный синхронизирующий вход, который по большей части равен 0. Если этот вход равен 0, то оба выхода вентилей И равны 0, и неза- висимо от значений S и R защелка не меняет свое состояние. Когда значение син- хронизирующего входа равно 1, действие вентилей И прекращается, и состояние защелки становится зависимым от S и R. Для обозначения факта появления еди- ницы на синхронизирующем входе часто используются термины включение и стробирование.

 

В случае, если S = R= 1 возникает неопределенность защёлки. Чтобы не дать ей возникнуть организуется схема только с одним входом. Такая схема (рисунок 19), которая называется синхронной D-защелкой, представляет собой память объе- мом 1 бит.

Триггеры. Многие схемы при необходимости выбирают значение на опреде- ленной линии в заданный момент времени и запоминают его. В такой схеме, кото- рая называется триггером (flip-flop), смена состояния происходит не тогда, когда синхронизирующий сигнал равен 1, а при переходе синхронизирующего сигнала с 0 на 1 (фронт) или с 1 на 0 (спад). Следовательно, длина синхронизирующего им- пульса не имеет значения, поскольку переходы происходят быстро.

 

Различие между триггером и защелкой определяется тем, что триггер запус- кается перепадом сигнала, а защелка запускается уровнем сигнала.

Простейшая схема триггера (рисунок 20):

Регистры. Регистр представляет собой цифровую электронную схему (функ- циональный узел), служащую для временного хранения двоичных чисел, состоя- щую из триггеров и защёлок.

 

По существу, это наборы триггеров с независимыми информационными вхо- дами и (обычно) общим тактовым входом. В качестве регистров подобного рода могут быть использованы без дополнительных элементов многие типы синхрон- ных триггеров.

Лекция 1. Многоуровневая компьютерная организация

1. Языки, уровни и виртуальные машины

 

Человек пишет команды, которые в совокупности формируют язык, называемый условно Я1. Встроенные машинные команды тоже формируют язык, и мы будем называть его Я 0. Компьютер может выполнять только пропрограммы, написан- ные на его машинном языке Я 0. Компьютер не будет выполнять программы, на- писанные на языке Я 1, — ведь в конечном итоге компьютеру доступен только машинный язык Я 0.

 

Первый способ выполнения программы, написанной на языке Я 1, подразумевает замену каждой команды эквивалентным набором команд на языке Я 0. В этом случае компьютер выполняет новую программу, написанную на языке Я 0, вместо старой программы, написанной на Я 1. Эта технология называется трансляцией.

 

Второй способ означает создание программы на языке Я 0, получающей в качест- ве входных данных программы, написанные на языке Я 1. При этом каждая ко- манда языка Я 1 обрабатывается поочередно, после чего сразу выполняется экви- валентный ей набор команд языка Я 0. Эта технология не требует составления но- вой программы на Я 0. Она называется интерпретацией, а программа, которая осуществляет интерпретацию, называется интерпретатором.

 

Между трансляцией и интерпретацией много общего. В обоих подходах компью- тер в конечном итоге выполняет набор команд на языке Я 0, эквивалентных ко- мандам Я 1. Различие лишь в том, что при трансляции вся программа Я 1 переде- лывается в программу Я 0, программа Я 1 отбрасывается, а новая программа на Я 0 загружается в память компьютера и затем выполняется. При интерпретации ка- ждая команда программы на Я 1 перекодируется в Я 0 и сразу же выполняется. В отличие от трансляции, здесь не создается новая программа на Я 0, а происходит последовательная перекодировка и выполнение команд.

 

Впрочем, чем мыслить категориями трансляции и интерпретации, гораздо проще представить себе существование гипотетического компьютера или виртуальной машины, для которой машинным языком является язык Я 1. Другими словами, можно писать программы для виртуальных машин так, как будто эти машины ре- ально существуют.

 

Изобретение целого ряда языков, каждый из которых более удобен для человека, чем предыдущий, может продолжаться до тех пор, пока мы не дойдем до подхо- дящего нам языка. Каждый такой язык использует своего предшественника как основу, поэтому мы можем рассматривать компьютер в виде ряда уровней, изо- браженных на рисунке 1. Язык, находящийся в самом низу иерархической струк-

туры, — самый примитивный, а тот, что расположен на ее вершине — самый сложный.

 

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней.

 

Существуют компьютеры с шестью уровнями (рисунок 2). Уровень 0 — это аппа- ратаппаратное обеспечение машины. Электронные схемы на уровне 1 выполняют машинно-зависимые программы. Ради полноты нужно упомянуть о существова- нии еще одного уровня, который расположен ниже нулевого. Этот уровень не по- казан на рисунке 2, так как он попадает в сферу электронной техники и называет- ся уровнем физических устройств.

 

На самом нижнем цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями. Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они мо- гут быть точно смоделированы как цифровые устройства. У каждого вентиля есть один или несколько цифровых входов (сигналов, представляющих 0 или 1). Вен- тиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формиру- ют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1.

 

Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16, 32 или 64, формируют ре- гистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела. Из вентилей также может состоять сам компьютер.

 

Следующий уровень называется уровнем микроархитектуры. На этом уровне находятся совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную па- мять и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ вы- полняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Тракт данных работает следующим образом. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую- либо операцию, например сложения, после чего результат вновь помещается в один из этих регистров.

 

На некоторых компьютерах работа тракта данных контролируется особой про- граммой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами.

 

На компьютерах, где тракт данных контролируется программным обеспечением, микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2. Микропрограм- ма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. Например, при выполнении команды ADD она вызывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры, АЛУ вычисляет сумму, а затем ре-

зультат переправляется обратно. На компьютере с аппаратным контролем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, интерпрети- рующей команды уровня 2.

 

Уровень 2 мы будем называть уровнем архитектуры набора команд. Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием «Руководство по машинному языку X», «Принципы работы компьюте- ра У» и т. п. Подобное руководство содержит информацию именно об этом уров- не. Описываемый в нем набор машинных команд в действительности выполняется микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением.

 

Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпрета- тора.

 

Следующий уровень обычно является гибридным. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры набора команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут быть представлены и на других уровнях).

 

У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: новый набор ко- манд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие. При построении уровня 3 возможно больше вариантов, чем при построении уровней 1 и 2.

 

Новые средства, появившиеся на уровне 3, выполняются интерпретатором, кото- рый работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операци- онной системой. Команды уровня 3, идентичные командам уровня 2, выполняют- ся микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной систе- мой. Другими словами, одна часть команд уровня 3 интерпретируется операцион- ной системой, а другая часть — микропрограммой. Вот почему этот уровень счи- тается гибридным.

 

Между уровнями 3 и 4 есть существенная разница. Нижние три уровня задуманы не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально ориен- тированы на интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми сис- темными программистами, которые специализируются на разработке новых вир- туальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладны