Оперативное запоминающее устройство (RAM — Random-Access Memory) — это устройство хранения данных компьютера, в котором находится исполняемая в данный момент программа. ОЗУ еще называют основной памятью, или оперативной памятью. Команды программы, исполняемые компьютером, поступают в процессор исключительно из ОЗУ. Хранение программы, которая выполняется в настоящее время компьютером, является основным назначением оперативной памяти. Оперативная память состоит из ячеек памяти. Ячейка памяти — это устройство, в котором возможно хранение информации. Ячейка памяти может состоять из двух полей (Рис. 22). Первое поле — поле машинного слова, второе — поле служебной информации (или ТЕГ). Рассмотрим назначение каждого из них.
Рис. 22. Ячейка памяти.
Машинное слово — поле программно изменяемой информации. В машинном слове могут располагаться машинные команды (или части машинных команд) или данные, с которыми может оперировать программа. Машинное слово имеет фиксированный для данной ЭВМ размер. Обычно под размером машинного слова понимается количество двоичных разрядов, размещаемых в машинном слове. Когда используется термины «16-тиразрядный компьютер», или «32-хразрядный компьютер», или «64-хразрядный компьютер», это означает, что речь идет о компьютерах, оперативная память которых имеет машинные слова размером 16, 32 или 64 разряда соответственно.
Служебная информация — ТЕГ (tag — ярлык, бирка) — поле ячейки памяти, в котором схемами контроля процессора и ОЗУ автоматически размещается информация, необходимая для осуществления контроля за целостностью и корректностью использования данных, размещаемых в машинном слове.
Использование в компьютере содержимого поля служебной информации может осуществляться в следующих целях.
- Контроль целостности данных. Содержимое поля используется для контрольного суммирования кода, размещенного в машинном слове. При каждой записи информации в машинное слово автоматически происходит контрольное суммирование и формирование содержимого поля служебной информации. При чтении данных из машинного слова также автоматически происходит контрольное суммирование кода, находящегося в машинном слове, а затем полученный код контрольной суммы сравнивается с кодом, размещенным в поле служебной информации. Совпадение кодов говорит о том, что данные, записанные в машинном слове, не потеряны. Несовпадение говорит о том, что произошел сбой в ОЗУ, и информация, находящаяся в машинном слове, потеряна, в этом случае в процессоре происходит прерывание (прерывания будут рассматриваться несколько позднее). На Рис. 23 изображена ячейка памяти с 16-тиразрядным машинным словом и одноразрядным полем ТЕГа. Контрольный разряд дополняет код машинного слова до четности. Вариант А: содержимое машинного слова корректное (здесь следует отметить, что одноразрядное контрольное суммирование может "пропускать" потери пар единиц в коде машинного слова — вариант В), вариант Б — ошибка.
- Контроль доступа к командам/данным. Рассмотрим проблемы, возникающие в машинах фон Неймана. Первая — ситуация "потери" управления в программе, т.е. ситуация, при которой из-за ошибок в программе в качестве исполняемых команд начинают выбираться процессором и исполняться данные. Вторая проявляется тогда, когда программа из-за ошибки сама затирает свою кодовую часть: на место команд записываются данные. Отладка подобных ошибок достаточно трудоемка, т.к. возникновение ошибки в программе и ее проявление могут быть существенно разнесены по коду программы и по времени проявления. Контроль доступа к командам/данным обеспечивает защиту от возникновения подобных проблем. Суть этого решения заключается в следующем. При включении специального режима работы процессора запись машинных команд в оперативную память сопровождается установкой в ТЕГе специального кода, указывающего, что в данном машинном слове размешена команда. Также соответствующий признак устанавливается при записи данных. При выборке очередной команды из памяти автоматически проверяется содержимое соответствующих разрядов ТЕГа: если в машинном слове размещена команда, то будет продолжена ее обработка и выполнение. Если возникает попытка выполнения в качестве команды кода, записанного как данные, то происходит прерывание. Т.е. фиксируется возникновение ошибки. Здесь мы видим первый случай отхода от одного из принципов организации компьютеров фон Неймана — введение контроля за семантикой размещенной в машинном слове информации.
Рис. 23. Контроль четности.
- Контроль доступа к машинным типам данных. Развитием контроля за семантикой информации, размещенной в оперативной памяти, является появление средств контроля за использованием компьютерных типов данных. Как известно, каждый компьютер имеет так называемые машинные типы данных. Это означает, что существуют группы машинных команд, которые оперируют с данными одного типа (целые, вещественные с фиксированной точкой, вещественные с плавающей точкой, символьные, логические). Т.е. при выполнении команды используемые операнды интерпретируются согласно машинному типу данных в соответствии с типом команды. Согласно одному из принципов фон Неймана способ интерпретации информации в оперативной памяти зависит исключительно от характера использования этой информации. Т.е. любой код, записанный в машинное слово, может быть использован в качестве кода машинной команды, если устройство управления обратилось за очередной командой к этому машинному слову, и этот же код может быть проинтерпретирован как код любого машинного типа данных, если он используется в качестве операнда команды соответствующего типа. Контроль доступа к машинным типам данных осуществляется за счет фиксации в поле ТЕГа кода типа данных при их записи в машинное слово, а при использовании этих данных в качеств операндов команд осуществляется автоматическая проверка совпадения типа операнда и типа команды. Если они совпадают, то команда продолжает свое выполнение, если нет, то происходит прерывание. Как видим, контроль за использованием машинных типов данных является еще одним проявлением отхода архитектуры компьютеров от принципов фон Неймана.
Наличие или отсутствие поля служебной информации в ячейке памяти, характер его использования зависят от конкретного типа компьютеров. В каких-то компьютерах это поле ячейки памяти может отсутствовать, и в этом случае размер ячейки памяти совпадает с машинным словом. В каких-то — поле со служебной информацией ячейки памяти есть и используется для организации контроля за целостностью данных и корректностью их использования.
В ОЗУ все ячейки памяти имеют уникальные имена, имя — адрес ячейки памяти. Обычно адрес — это порядковый номер ячейки памяти (нумерация ячеек памяти возможна как подряд идущими номерами, так и номерами, кратными некоторому значению). Доступ к содержимому машинного слова осуществляется при непосредственном (например, считать содержимое слова с адресом А) или косвенном использовании адреса (например, считать значение слова, адрес которого находится в машинном слове с адресом В). Одной из характеристик оперативной памяти является ее производительность, которая определяет скорость доступа процессора к данным, размещенным в ОЗУ. Обычно производительность ОЗУ определяется по значениям двух параметров. Первый — время доступа (access time — taccess) — это время между запросом на чтение слова из оперативной памяти и получением содержимого этого слова. Второй параметр — длительность цикла памяти (cycle time — tcycle) — это минимальное время между началом текущего и последующего обращения к памяти. Обычно, длительность цикла превосходит время доступа (tcycle > taccess). Реальные соотношения между длительностью цикла и временем доступа зависят от конкретных технологий, применяемых для организации ОЗУ (в некоторых ОЗУ tcycle / taccess >2). Последнее утверждение говорит о том, что возможна ситуация, при которой для чтения N слов из памяти потребуется времени больше, чем N × taccess.
Вернемся к обозначенной в конце предыдущего пункта проблеме дисбаланса производительности аппаратных компонентов компьютера. Скорость обработки данных в процессоре в несколько раз превышает скорость доступа к информации, размещенной в оперативной памяти. Необходимо, чтобы итоговая скорость выполнения команды процессором как можно меньше зависела от скорости доступа к коду команды и к используемым в ней операндам из памяти. Это составляет проблему, которая системным образом решается на уровне архитектуры ЭВМ. В аппаратуре компьютера применяется целый ряд решений, призванных сгладить эту разницу. Одно из таких решений — расслоение памяти.
Расслоение ОЗУ — один из аппаратных путей решения проблемы дисбаланса в скорости доступа к данным, размещенным в оперативной памяти, и производительностью процессора. Суть расслоения состоит в следующем (Рис. 24, Рис. 25).
Рис. 24. ОЗУ без расслоения памяти — один контроллер на все банки.
Все ОЗУ состоит из K банков, каждый из которых может работать независимо. Ячейки памяти распределены между банками таким образом, что у любой ячейки ее соседи размещаются в соседних блоках. Что дает подобная организация памяти? Расслоение памяти позволяет во многом сократить задержки, возникающие из-за несоответствия времени доступа и цикла памяти при выполнении последовательного доступа к ячейкам памяти, т.к. при расслоении ОЗУ задержки, связанные с циклом памяти, будут возникать только в тех случаях, когда подряд идущие обращения попадают в один и тот же банк памяти. Используя организацию параллельной работы банков, в идеальном случае, можно повысить производительность работы ОЗУ в K раз. Для этих целей необходимо использовать более сложную архитектуру системы управления памятью.
Рис. 25. ОЗУ с расслоением памяти — каждый банк обслуживает отдельный контроллер.
Другие свойства и характеристики оперативного запоминающего устройства мы будем рассматривать позднее по мере знакомства с основами архитектуры компьютеров и организацией и функционированием компонентов операционных систем.
Центральный процессор
Процессор, или центральный процессор (ЦП), компьютера обеспечивает последовательное выполнение машинных команд, составляющих программу, размещенную в оперативной памяти. Термин «центральный процессор» соответствует ситуации сегодняшнего дня, когда современный компьютер имеет в своем составе значительное количество специализированных управляющих компьютеров. Подобные компьютеры могут осуществлять управление контроллерами устройств, быть встроены в сами устройства, выполнять специализированные операции над данными программы.
Рассмотрим основные компоненты обобщенной структурной организации центрального процессора (Рис. 26).
Рис. 26. Структура организации центрального процессора.
Регистровая память
Регистровый файл (register file), или регистровая память, — совокупность устройств памяти процессора — т.н. регистров, предназначенных для временного хранения управляющей информации, операндов и/или результатов выполняемых команд. Регистровый файл обычно включает в себя регистры общего назначения (general-purpose register) и специальные регистры (special-purpose register).
Регистры общего назначения (РОН) состоят из доступных для программ пользователей регистров, предназначенных для хранения операндов, адресов операндов, результатов выполнения команд. Скорость доступа к содержимому регистров сравнима со скоростью обработки информации процессором, поэтому одной из основных причин появления регистров общего назначения было сглаживание дисбаланса в производительности процессора и скорости доступа к оперативной памяти. Наиболее часто используемые в программе операнды размещались на регистрах общего назначения, тем самым происходило сокращение количества реальных обращений в оперативную память, что, в итоге, повышало суммарную производительность компьютера. Состав регистров общего назначения существенно зависит от архитектуры конкретного компьютера.
Специальные регистры предназначены для координации информационного взаимодействия основных компонентов процессора. В их состав могут входить специальные регистры, обеспечивающие управление устройствами компьютера, регистры, содержимое которых используется для представления информации об актуальном состоянии выполняемой процессором программы и т.д. Так же, как и в случае регистров общего назначения, состав специальных регистров определяется архитектурой конкретного процессора. К наиболее распространенным специальным регистрам относятся: счетчик команд (program counter), указатель стека (stack pointer), слово состояния процессора (processor status word). Счетчик команд — специальный регистр, в котором размещается адрес очередной выполняемой команды программы. Счетчик команд изменяется в устройстве управления согласно алгоритму, заложенному в программу. Более подробно использование счетчика команд проиллюстрируем несколько позднее при рассмотрении рабочего цикла процессора. Указатель стека — регистр, содержимое которого в каждый момент времени указывает на адрес слова в области памяти, являющегося вершиной стека. Обычно данный регистр присутствует в процессорах, система команд которых поддерживает работу со стеком (операции чтения и записи данных из/в стек с автоматической коррекцией значения указателя стека). Слово состояния процессора — регистр, содержимое которого определяет режимы работы процессора, значения кодов результата операций и т.п.