Архитектура машинной памяти
Основными техническими характеристиками ЗУ ЭВМ являются емкость и быстродействие. Емкость ЗУ определяет предельное количество информации, которое может разместиться в ЗУ, и выражается в битах или байтах, а чаще в более крупных единицах - килобайтах (К байт) или мегабайтах (М байт): 1 Кбайт = 1024 байт (210 байт), а 1 М байт = = 1024 Кбайт (220 байт). Быстродействие ЗУ оценивается временем обращения (временем цикла), т.е. промежутком времени, требуемым для считывания и записи информации в данном ЗУ (иначе, это минимальный промежуток времени между двумя командами считывания). Часто используют другой параметр, характеризующий быстродействие ЗУ, — время выборки (время считывания) информации — интервал времени между моментом подачи сигнала считывания до момента получения выходных информационных сигналов.
В соответствии со значениями параметров емкости и быстродействия разделяют память на оперативную (ОП), реализуемую оперативными запоминающими устройствами (ОЗУ), и внешнюю (ВП), функции которой выполняют разнообразные внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Однако, несмотря на такое разделение, разница в быстродействии процессора, ОП и ВП остается очень большой. Поэтому обмен информацией между этими структурными единицами ЭВМ осуществляется через дополнительные уровни, называемые буферными. Таким образом, архитектура машинной памяти имеет многоуровневую структуру.
К первому уровню относятся регистровая память (Рг) и сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ). Регистры предназначены для хранения малых объемов информации (емкостью в одно слово). Регистровая память обладает очень высоким быстродействием и обычно входит в состав процессора.
СОЗУ хранят информацию, к которой происходит наиболее частое обращение процессора. Это могут быть управляющая информация операционной системы, операнды и результаты выполнения некоторых операций, коды базы и индекса, используемые при формировании исполнительных адресов, и т.п. СОЗУ выполняются на интегральных схемах, тонких магнитных пленках или на микроминиатюрных ферритовых сердечниках. СОЗУ может конструктивно входить в ОЗУ или существовать в виде самостоятельного ЗУ.
В ЕС ЭВМ память, относящаяся к первому уровню, называется местной или локальной памятью и представляет собой регистровое сверхбыстродействующее ОЗУ, входящее в состав процессора. Память первого уровня выполняет роль буфера между ОП и процессором, сглаживая разницу в их быстродействии.
Второй уровень в иерархии машинной памяти образует оперативная память. ОЗУ хранят информацию, непосредственно участвующую в работе процессора. Ко второму уровню относятся также постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Они хранят неизменяемую информацию, например различные константы, таблицы функций, микропрограммы. Информацию с ПЗУ в процессе работы ЭВМ можно только считывать.
В ЕС ЭВМ ПЗУ используются для хранения микропрограмм и включаются в состав процессора.
К третьему уровню относятся буферные ЗУ (БЗУ), использование которых повышает эффективность обмена между ВП и ОП, имеющими существенно разное быстродействие. В качестве БЗУ обычно используется специально выделенная область ОП.
Четвертый уровень архитектуры машинной памяти образует внешняя память. На ВЗУ хранятся данные, не используемые в данный момент времени процессором (не участвующие непосредственно в обработке), а также большие информационные массивы и архивные данные. Наиболее распространенными являются ВЗУ с магнитными носителями информации, а именно накопители на магнитных дисках (НМД), магнитных барабанах (НМБ) и магнитных лентах (НМЛ).
Характерной особенностью многих ВЗУ является практически неограниченный объем памяти. Объясняется это тем, что такие ВЗУ обладают сменными носителями информации, число которых может быть как угодно велико.
Устройства ВП делятся на устройства с непосредственным (прямым) доступом к данным и последовательным доступом. В первых время доступа не зависит от места расположения данных на носителе, во вторых время, необходимое для доступа к нужным данным, связано с местом расположения данных на носителе.
АДРЕСАЦИЯ ПАМЯТИ
На логическом уровне ОП ЭВМ рассматривается как упорядоченная последовательность ячеек памяти. Каждая ячейка памяти имеет уникальный адрес, по которому осуществляется обращение к ней при записи и считывании. ОП является памятью с непосредственным доступом, так как обращение к информации, хранящейся в любой ячейке, осуществляется по известному адресу без перебора содержимого всех остальных ячеек памяти.
Информационные единицы, размещаемые в ОП, могут иметь фиксированную или переменную длину. Единицами фиксированной длины являются машинное слово, полуслово и двойное машинное слово. В ЕС ЭВМ машинное слово содержит 4 байта (32 двоичных разряда), полуслово - 2 байта (16 двоичных разрядов), двойное слово - 8 байтов (64 двоичных разряда). В СМ ЭВМ машинное слово равно 2 байтам. Единицей переменной длины является поле. Оно может иметь любую длину от 1 до 256 байтов.
Данные, представленные в двоичной форме, располагаются в указанных единицах машинной памяти так, что веса разрядов двоичных чисел возрастают справа налево. Позиции же двоичных цифр нумеруются слева направо начиная с нуля.
При обращении к памяти обычно производится запись или считывание целого слова, однако в большинстве ЭВМ наименьшей адресуемой единицей является байт, т.е. в ОП возможен прямой доступ к одному байту информации. Байт, являясь минимальным элементом адресации, боты с полями переменной длины.
Адрес любой единицы машинной памяти определяется адресом старшего (крайнего левого) байта. Так как байты являются адресуемыми единицами памяти, то адрес полуслова кратен двум (в самом младшем двоичном разряде кода адреса должен быть ноль), адрес машинного слова кратен четырем, адрес двойного слова — восьми (нули в трех младших двоичных разрядах). Правильность задания адресов автоматически контролируется в машине. При обнаружении ошибки в задании адреса вычислительный процесс прерывается.
Если имеет место абсолютная (иначе говоря, прямая) адресация, то в команде указывается истинный адрес ячейки памяти, где хранится операнд. По этому адресу, называемому исполнительным, осуществляется обращение к ОП.
В современных ЭВМ обычно используется относительная адресация, при которой в специальном регистре, базовом или индексном, хранится один адрес Абаз, называемый базовым адресом. В адресном поле команды указывается относительный адрес Аотн, или смещение. В этом случае исполнительный адрес Аисп = Aбаз + Aотн, т.е. при выполнении команды осуществляется обращение к ячейке ОП, адрес которой является суммой содержимого индексного регистра и адреса, указанного в команде.
В ЭВМ используются также непосредственная и косвенная адресации. При непосредственной адресации в адресном поле команды содержится значение операнда. В случае косвенной адресации в адресном поле команды содержится адрес ячейки, в которой хранится не сам операнд, а его адрес. Косвенная адресация используется для организации списков и списковых структур данных.
ТРИ УРОВНЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ
Автоматизированные информационные системы хранят и обрабатывают информацию об объектах реального мира. Некоторую совокупность информации, описывающую конкретный объект, называют логической записью или просто записью. Совокупность записей, описывающих множество объектов определенного класса, называют информационным массивом.
Организация информационного массива, обеспечивающая определенные связи и отношения между данными, называется структурой данных.
Существует три уровня представления данных: логический уровень, уровень хранения и физический уровень.
На логическом уровне работают с логическими структурами данных, отражающими реальные отношения, которые существуют между объектами и их характеристиками, т.е. указывающими в каком виде данные представляются пользователю системы. При разработке логических структур данных учитывается также информационная потребность пользователей системы и характер задач, для решения которых предназначена АИС. Единицей информации на этом уровне является логическая запись. Каждый объект, описываемый соответствующей логической записью, характеризуется определенными признаками, являющимися атрибутами записи. На логическом уровне устанавливается перечень признаков, полностью характеризующий описываемый класс объектов. Совокупность признаков и их взаимосвязь определяют внутреннюю структуру логической записи.
На логическом уровне представления данных не учитывается техническое и математическое обеспечение системы (тип ЭВМ, тип ЗУ, язык программирования, операционная система).
На уровне хранения оперируют со структурами хранения — представлениями логической структуры данных в памяти ЭВМ. Структура хранения должна полностью отображать логическую структуру данных и поддерживать ее в процессе функционирования АИС. Единицей информации на этом уровне также является логическая запись.
Оперативная память машины и внешняя память обладают разными возможностями, поэтому средства и методы организации данных в ОП и на ВЗУ различны. При разработке или выборе структуры хранения учитывается тип ЗУ, в котором будут храниться данные, устанавливается тип и формат данных, а также определяется способ поддержания логи--ческой структуры.
Каждая структура хранения предоставляет определенный способ доступа к данным и определенные возможности для манипулирования данными. Она характеризуется объемом памяти, необходимым для размещения данных. От выбора структуры хранения непосредственно зависит эффективность обработки данных.
При разработке или выборе структуры хранения следует учитывать возможности языка программирования, на котором будут написаны программы работы с данными.
На физическом уровне представления данных оперируют с физическими структурами данных. На этом уровне решается задача реализации структуры хранения непосредственно в конкретной памяти конкретной ЭВМ. Единицей информации на этом уровне является физическая запись, представляющая участок носителя, на котором размещаются одна или несколько логических записей. При разработке структур памяти анализируются параметры конкретных технических средств: тип и объем памяти, способ адресации, метод и время доступа к данным. На этом же уровне решаются задачи по организации обмена данными между основной и внешней памятью ЭВМ.
При разработке структур данных всех уровней должен обеспечиваться принцип независимости данных. Физическая независимость данных означает, что изменения в физическом расположении данных и в техническом обеспечении системы не должны отражаться на логических структурах и прикладных программах, т.е. не должны вызывать в них изменений. Логическая независимость данных означает, что изменения в структурах хранения не должны вызывать изменений в логических структурах данных и в прикладных программах.