Вычислительная математика и программирование - Боглаев Ю.П.
ISBN 5-06-00623-9
Скачать (прямая ссылка):
1.2.5. Организация памяти. В любой ЭВМ, даже в калькуляторе, существует несколько уровней памяти. Важной особенностью иерархии уровней является обратно пропорциональная зависимость емкости от стоимости (скорости доступа). Чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ (рис. 1.4). Время доступа—это время, необходимое для выборки из памяти или записи в нее информации. Характеристики шести уравнений памяти приведены в табл. 1.1.
Самую быструю часть памяти представляет собой часть центрального процессора—регистры. Регистры образуют два набора: регистры команд и регистры данных. В зависимости от характера данных регистры организованы в группы. Имеются адресные регистры и регистры данных различных типов.
АДРЕС
3
СОДЕРЖИМОЕ ЯЧЕЙКИ оо*оо**о
4
• оо**ооо
18
Рис. 1.3\
V
РЕГИСТРЫ
КОМАНД
РЕГИСТРЫ
ОПЕРАНДОВ
|БУФЕРНАЯ ПАМЯТЬ |
|ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ |
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПАМЯТЬ
| ВТОРИЧНАЯ ПАМЯТЬ
МАССОВАЯ ПАМЯТЬ
Рис. 1.4
Таблица 1.1
Тип памяти
Время доступа, с
Емкость, бит
Регистры
Буферная
Основная
Дополнительная
Вторичная
Массовая
(2 -г- 20)Т0-9
(20 -г- 200) * 10 (0,2-г-20)-10“
(І-г-ІОМО-3
103— 104
К)4— -105
106— -108
107- ?109
109— -1011
1011- -1012
Данные и команды поступают в центральный процессор со следующего уровня, доступного только через устройство управления. Этот уровень называется буферной памятью (кэш-памятью). Он служит для согласования скорости процессора и основной памяти, быстродействие буфера почти такое же, как и регистров, емкость значительно меньше основной памяти. Использование буфера обычно недоступно пользователю, и возникает иллюзия, что основная память работает почти со скоростью процессора. Техническое решение, лежащее в основе буферной памяти, известно как «предварительно просматриваемая память».
Основная (или оперативная) память расширяется двумя типами памяти: дополнительной и вторичной, реализуемой обычно на магнитных дисках. Диски дополнительной памяти имеют фиксированные головки чтения-записи, а вторичной памяти—подвижные головки.
Программа пользователя может обращаться к любой ячейке дополнительной памяти в диапазоне адресов, во много раз превышающем емкость основной памяти. Проведение всех операций, необходимых для вызова информации в основную память, которая требуется центральному процессору или обратной пересылке, выполняется операционной системой (гл. 4). Пользователь вообще не знает, где физически расположена ячейка с данным адресом. Такой адрес памяти называется виртуальным, а организация памяти—виртуальной памятью. Истинный физический адрес
19
каждого слова данных из виртуального адресного пространства известен только операционной системе.
Данные виртуальной памяти пересылаются из основной в дополнительную память и обратно, согласно специальным алгоритмам, порциями—страницами. В основе этих алгоритмов лежит идея сохранения в основном памяти только тех страниц, на которые наиболее часто ссылается центральный процессор.
Вторичная память требует от пользователя употребления специальных команд ввода—вывода, имеющихся в языках программирования, например фортране (гл. 3).
Наконец, = массовая память предназначена обычно для архивных целей, реализуется на магнитных лентах, оптических дисках, микрофильмах и т. п.
Различные виды памяти применяются только из-за неодинаковой стоимости устройств хранения информации. Если бы устройства с минимальным временем доступа были достаточно дешевыми, то следовало бы использовать только один уровень памяти. Из-за отсутствия в настоящее время быстродействующей дешевой памяти приходится сочетать дорогие устройства с дешевыми для обеспечения заданного быстродействия ЭВМ.
1.2.6. Центральный процессор. Как уже отмечалось, в центральном процессоре, объединяющем арифметические и логические устройства с устройством управления, выполняются команды или, что то же самое, программа пользователя. Центральный процессор представляет собой достаточно сложное электронное устройство, состоящее из нескольких функциональных блоков (например, блока сложения, блока* умножения и т. п.).
Внутри функционального блока управление выполнением соответствующих операций может производиться аппаратно (электронной схемой) либо программой (микропрограммно). Во втором случае управление блоком осуществляет программа, действующая на биты операндов (операнд-объект, над которым производится операция), что и приводит к выполнению операции, например умножения (операнды-сомножители). Эти программы пишут разработчики-программисты. Технология микропрограммного управления позволяет легко увеличивать скорость работы соответствующего блока благодаря применению более совершенных (коротких) программ без переделок аппаратуры.
Современные ЭВМ могут выполнять сотни команд, которые все вместе образуют систему команд. Максимальное количество команд в данной машине ограничивается размером поля, отводимого под код операции. Если это поле занимает 1 байт, то возможны 28 = 256 команд. Система команд полностью отражает архитектуру ЭВМ, поскольку однозначно определяет работу центрального процессора. Остальные части ЭВМ — память, устройства ввода—вывода—должны обеспечивать работу центрального процессора: снабжать командами, операндами, сохранять результаты. Причем при решении тех зад^ч, для которых в основном
