96. Основная память: физическая и логическая организация
Основная память представляет собой упорядоченный массив
однобайтовых ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес (номер).
Процессор извлекает команду из основной памяти, декодирует и выполняет ее. Для
выполнения команды могут потребоваться обращения еще к нескольким ячейкам
основной памяти.
Емкость памяти измеряется в Кбайтах, Мбайтах,
Гбайтах
Основная память предназначена для хранения и
оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. Предназначена для
хранения программ и данных, с которыми работает непосредственно процессор.
Все персональные компьютеры используют три вида памяти:
оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). Оперативная память
предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает
изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих
операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к
произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с
произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).
Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в
оперативной памяти.
Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в
течение длительного времени. Постоянная информация включает основные системные
программы, автоматически включающиеся при включении ПК. Постоянная память имеет
собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею
обеспечиваются только режимы считывания и хранения.
Основная память содержит два вида запоминающих устройств:
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство
(ОЗУ).
Постоянное запоминающие устройство
строиться на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и
используется для хранения неизменяемой информации; загрузочных программ
операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых
драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS –
Base Input-Output System) и
др. Из ПЗУ можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ
выполняется вне ЭВМ в лабораторных условиях. В ПЗУ возможна лишь однократная
запись информации, производимая либо а процессе производства, либо в результате
программирования. Модули и кассеты ПЗУ имеют емкость, как правило, не
превышающую нескольких сот килобайт. ПЗУ – энергонезависимое запоминающие
устройство.
Программируемое ПЗУ отличается от обычного тем, что информация
на этой микросхеме может стираться специальными методами (например, лучами
ультрафиолета), после чего пользователь может повторно записать на нее
информацию. Эту информацию будет невозможно удалить до следующей операции
стирания информации.
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и
считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в
информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.
Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое
быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой
адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить
невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины
(энергозависимость).
Оперативная память бывает либо статической (на триггерах) и
называется SRAM (Static RAM), либо динамической (на основе конденсаторных ячеек)
— DRAM (Dynamic RAM).
Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный (отличный от всех
других) адрес. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство.
Адресное пространство определяет максимально возможное
количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти.
Адресное пространство — это совокупность
байтов памяти, к которым можно обратиться с использованием машинного адреса.
Логическая организация памяти
Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный (отличный от всех
других) адрес. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство.
Адресное пространство определяет максимально возможное количество
непосредственно адресуемых ячеек основной памяти.
Основная память компьютера делится на две логические области:
непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кбайта ячеек с
адресами от 0 до 1024 Кбайт- 1, и расширенную память, доступ к ячейкам которой
возможен при использовании специальных программ-драйверов. Непосредственно
адресуемая память делится: стандартную и верхнюю память. Стандартной памятью
(обычная память (СМА)) называется непосредственно адресуемая память в диапазоне
от 0 до 640 Кбайт.
Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640
до 1024 Кбайт называется верхней памятью (блоки UMA). Верхняя память
зарезервирована для памяти дисплея (видеопамяти) и постоянного запоминающего
устройства. Однако обычно в ней остаются свободные участки — "окна", которые
могут быть использованы при помощи диспетчера памяти в качестве оперативной
памяти общего назначения.
Расширенная память — это память с адресами 1024 Кбайта и выше.
Доступ к этой памяти возможен только в защищенном режиме работы микропроцессора.
В реальном режиме имеются два способа доступа к этой памяти,
но только при использовании драйверов:
• по спецификации
XMS (эту память называют тогда ХМА);
• по спецификации
EMS (дополнительной оперативной памяти – вида ОП (свыше 640Кб) в ПК типа
IBM PC).
Спецификации EMS и XMS отличаются по принципу действия: в EMS
для доступа к дополнительной памяти выполняется отображение (страничная
переадресация) памяти, а в XMS - копирование блоков данных
Спецификация XMS (eXtended Memory Specification)позволяет
программе получить в распоряжение одну или несколько областей дополнительной
памяти, а также использовать область HMA. Часто эту память называют
дополнительной, учитывая, что в первых моделях персональных компьютеров эта
память размещалась на отдельных дополнительных платах, хотя термин Extended
почти идентичен, термину Expanded и более точно переводится как расширенный,
увеличенный.
Логическая структура основной памяти
Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память - очень быстрое
ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между
микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости
обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной
памятью.
Кэш-памятью управляет специальное устройство - контроллер,
который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и
команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает
их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае
попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти
происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то
процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа
попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.
Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM
(Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM.
Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так
называемый кэш первого уровня размером 8-16 Кбайт. Кроме того, на системной
плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт
до 256 Кбайт и выше.