1. Показать развитие и классификацию однопроцессорных архитектур Архитектура общая функциональная и структурная организация машины, определяющая методы

85. Методы повышения пропускной способности оперативной памяти (организация памяти на DDR SDRAM) Кардинальным способом увеличения пропускной способности ОП стал переход к стандарту DDR. Динамическая память DDR SDRAM пришла на смену синхронной SDRAM и обеспечила в два раза большую пропускную способность. Аббревиатура DDR (Double Data Rate) означает удвоенную скорость передачи данных. Как уже отмечалось выше, основным сдерживающим элементом увеличения тактовой частоты ра-боты памяти является ядро памяти (массив элементов хранения – Memory Cell Array). Однако, кроме ядра в модуле памяти присутствуют и буферы промежуточного хранения (буферы ввода-вывода – I/O Buffers), через которые ядро памяти обменивается данными с шиной памяти. Эти буферы могут иметь значительно более высокое быстродействие, чем само ядро, поэтому тактовую частоту работы шины памяти и буферов обмена можно легко увеличить. Именно такой способ и используется в DDR-памяти. Рассмотрим предельно упрощенную схему функционирования памяти типа SDRAМ. Ядро SDRAM-памяти и буферы ввода-вывода работают в синхронном режиме на одной и той же частоте. Передача каждого бита из буфера на шину происходит с каждым тактом работы ядра памяти. При переходе от SDRAM к DDR технология одинарной скорости передачи данных заменяется на удвоенную за счет того, что передача данных от микросхем памяти модуля к контроллеру памяти по внешней шине данных осуществляется по обоим полупериодам синхросигнала (восходящему – «фронту», и нисходящему – «срезу»). В этом и заключается суть технологии «Double Data Rate – DDR», именно поэтому «эффективная» частота памяти DDR-400 составляет 400 МГц, тогда как ее истинная частота, или частота буферов ввода-вывода, составляет 200 МГц. Таким образом, каждый буфер ввода-вывода передает на шину два бита информации за один такт, оставаясь при этом полностью синхронизированным с ядром памяти. Однако, чтобы такой режим работы стал возможным, необходимо, чтобы эти два бита были доступны буферу ввода-вывода на каждом такте работы памяти. Для этого требуется, чтобы каждая команда чтения приводила к передаче из ядра памяти в буфер сразу двух бит по двум независимым линиям передачи внутренней шины данных. Из буфера ввода-вывода биты данных затем поступают на внешнюю шину в требуемом порядке. Иными словами, можно сказать, что при прочих равных условиях внутренняя шина данных должна быть вдвое шире по сравнению с внешней шиной данных. Такая схема доступа к данным называется схемой «2n-предвыборки» (2n-prefetch). DDR-память, как и SDRAM, предназначалась для работы с системными частотами 100, 133, 166, 200, 216, 250 и 266 МГц. Нетрудно рассчитать пропускную способность DDR-памяти. Принимая, что ширина внешней шины данных составляет 8 байт, для памяти DDR-400 получаем 400 МГц х 8 байт = 3,2 Гбайт/с. 86. Методы повышения пропускной способности оперативной памяти (расслоение обращений) Другой способ повышения пропускной способности ОП связан с построением памяти, состоящей на физическом уровне из нескольких модулей (банков) с автономными схемами адресации, записи и чтения. При этом на логическом уровне управления памятью организуются последовательные обращения к различным физическим модулям. Обращения к различным модулям могут перекрываться, и таким образом образуется своеобразный конвейер. Эта процедура носит название расслоения памяти. Целью данного метода является увеличение скорости доступа к памяти посредством совмещения фаз обращений ко многим модулям памяти. Известно несколько вариантов организации расслоения. Наиболее часто используется способ расслоения обращений за счет расслоения адресов. Этот способ основывается на свойстве локальности программ и данных, предполагающем, что адрес следующей команды программы на единицу больше адреса предыдущей (линейность программ нарушается только командами перехода). Аналогичная последовательность адресов генерируется процессором при чтении и записи слов данных. Таким образом, типичным случаем распределения адресов обращений к памяти является последовательность вида а, а + 1, а + 2, ... Из этого следует, что расслоение обращений возможно, если ячейки с адресами а, а + 1, а + 2, ... будут размещаться в блоках 0, 1, 2, ... Такое распределение ячеек по модулям (банкам) обеспечивается за счет использования адресов вида где В – k-разрядный адрес модуля (младшая часть адреса) и С – n-разрядный адрес ячейки в модуле В (старшая часть адреса). Все программы и данные «размещаются» в адресном пространстве последовательно. Однако ячейки памяти, имеющие смежные адреса, находятся в различных физических модулях памяти. Если ОП состоит из 4-х модулей, то номер модуля кодируется двумя младшими разрядами адреса. При этом полные m-разрядные адреса 0, 4, 8, ... будут относиться к блоку 0, адреса 1, 5, 9, ... – к блоку 1, адреса 2, 6, 10, ... – к блоку 2 и адреса 3, 7, 11, ... – к блоку 3. В результате этого последовательность обращений к адресам 0, 1, 2, 3, 4, 5, ... будет расслоена между модулями 0, 1, 2, 3, 0, 1, ... Поскольку каждый физический модуль памяти имеет собственные схемы управления выборкой, можно обращение к следующему модулю производить, не дожидаясь ответа от предыдущего. Время доступа к каждому модулю составляет t = 4Т, где Т = ti+1 – ti – длительность такта. В каждом такте следуют непрерывно обращения к модулям памяти в моменты времени t1, t2, t3, … . При наличии четырех модулей темп выдачи квантов информации из памяти в процессор будет соответствовать одному такту Т, при этом скорость выдачи информации из каждого модуля в четыре раза ниже. Задержка в выдаче кванта информации относительно момента обращения также составляет 4Т. При реализации расслоения по адресам число модулей памяти может быть произвольным и необязательно кратным степени 2. В некоторых компьютерах допускается произвольное отключение модулей памяти, что позволяет исключать из конфигурации неисправные модули. В современных высокопроизводительных компьютерах число модулей обычно составляет 4 – 16, но иногда превышает 64. Так как схема расслоения по адресам базируется на допущении о локальности, она дает эффект в тех случаях, когда это допущение справедливо, т. е. при решении одной задачи. Для повышения производительности мультипроцессорных систем, работающих в многозадачных режимах, реализуют другие схемы, при которых различные процессоры обращаются к различным модулям памяти Обобщением идеи расслоения памяти является возможность реализации нескольких независимых обращений, когда несколько контроллеров памяти позволяют модулям памяти (или группам расслоенных модулей памяти) работать независимо. Прямое уменьшение числа конфликтов за счет организации чередующихся обращений к различным модулям памяти достигается путем размещения программ и данных в разных модулях. Разделение памяти на память команд и память данных широко используется в системах управления или обработки сигналов. В подобного рода системах в качестве памяти команд нередко используются постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), цикл которых меньше цикла устройств, допускающих запись, это делает разделение программ и данных весьма эффективным. Следует отметить, что обращения процессоров ввода-вывода в режиме прямого доступа в память логически реализуются как обращения к памяти данных. Выбор той или иной схемы расслоения для компьютера (системы) определяется целями (достижение высокой производительности при решении множества задач или высокого быстродействия при решении одной задачи), архитектурными и структурными особенностями системы, а также элементной базой (соотношением длительностей циклов памяти и узлов обработки). 87. Концепция виртуальной памяти Общепринятая в настоящее время концепция виртуальной памяти появилась достаточно давно. Она позволила решить целый ряд актуальных вопросов организации вычислений. Прежде всего к числу таких вопросов относится обеспечение надежного функционирования мультипрограммных систем. В любой момент времени компьютер выполняет множество процессов или задач, каждый из которых располагает своим адресным пространством. Виртуальная память является одним из способов реализации такой возможности. Она делит физическую память на блоки и распределяет их между различными задачами, при этом она предусматривает также некоторую схему защиты, которая ограничивает задачу теми блоками, которые ей принадлежат. Большинство типов виртуальной памяти сокращают также время начального запуска программы на процессоре, поскольку не весь программный код и данные требуются ей в физической памяти, чтобы начать выполнение. Виртуальным называется такой ресурс, который для пользователя (пользовательской программы) представляется обладающим свойствами, которыми он в действительности не обладает. Так, например, пользователю может быть предоставлена виртуальная оперативная память, размер которой превосходит всю имеющуюся в системе реальную ОП. Пользователь пишет программы так, как будто в его распоряжении имеется однородная (одноуровневая) оперативная память большого объёма, но в действительности все данные, используемые программой, хранятся на нескольких разнородных запоминающих устройствах, обычно в ОП и на дисках, и при необходимости частями перемещаются между ними. Все эти действия выполняются автоматически, без участия программиста, т. е. механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к пользователю. 88. Страничное распределение виртуальной памяти Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части, называемые виртуальными страницами, одинакового, фиксированного (для данной системы) размера. В общем случае размер виртуального адресного пространства не является кратным размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью. Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (или блоками). Размер страницы обычно выбирается равным степени двойки: 512, 1024 и т. д., это позволяет упростить механизм преобразования адресов. При загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную память, а остальные — на диск. Смежные виртуальные страницы необязательно располагаются в смежных физических страницах. При загрузке операционная система создает для каждого процесса информационную структуру — таблицу страниц, в которой устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или делается отметка о том, что виртуальная страница выгружена на диск (ВЗУ). Кроме того, в таблице страниц содержится управляющая информация, такая как признак модификации страницы, признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена), признак обращения к странице (используется для подсчета числа обращений за определенный период времени) и другие данные, формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти. При активизации очередного процесса в специальный регистр процессора загружается адрес таблицы страниц данного процесса. При каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице, к которой произошло обращение. Если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания и активизируется другой процесс из очереди готовых. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то решается вопрос, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти. В данной ситуации может быть использовано много разных критериев выбора, наиболее популярные из них следующие: дольше всего не использовавшаяся страница; первая попавшаяся страница; страница, к которой в последнее время было меньше всего обращений. В некоторых системах используется понятие рабочего множества страниц. Рабочее множество определяется для каждого процесса и представляет собой перечень наиболее часто используемых страниц, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти и поэтому не подлежат выгрузке. После того как выбрана страница, которая должна покинуть оперативную память, анализируется ее признак модификации (из таблицы страниц). Если выталкиваемая страница с момента загрузки была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то она может быть просто уничтожена, т. е. соответствующая физическая страница объявляется свободной. 89. Механизм преобразования виртуального адреса в физический при страничной организации виртуальной памяти Виртуальный адрес при страничном распределении может быть представлен в виде пары (p, s), где p – номер виртуальной страницы процесса (нумерация страниц начинается с 0), s – смещение в пределах виртуальной страницы. Учитывая, что размер страницы равен 2 в степени k, смещение s может быть получено простым отделением k младших разрядов в двоичной записи виртуального адреса. Оставшиеся старшие разряды представляют собой двоичную запись номера страницы p. При каждом обращении к оперативной памяти аппаратными средствами выполняются следующие действия: 1.На основании начального адреса таблицы страниц (содержимое регистра адреса таблицы страниц), номера виртуальной страницы (старшие разряды виртуального адреса) и длины записи в таблице страниц (системная константа) определяется адрес нужной записи в таблице. 2.Из этой записи извлекается номер физической страницы. 3.К номеру физической страницы присоединяется смещение (младшие разряды виртуального адреса). Использование в пункте (3) того факта, что размер страницы равен степени 2, позволяет применить операцию конкатенации (присоединения) вместо более длительной операции сложения, что уменьшает время получения физического адреса, а значит повышает производительность компьютера. 90. Сегментное распределение виртуальной памяти Виртуальное адресное пространство процесса делится на сегменты, размер которых определяется программистом с учетом смыслового значения содержащейся в них информации. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных и т. п. Иногда сегментация программы выполняется по умолчанию компилятором. При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память (при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти), а часть сегментов размещается в дисковой памяти. Сегменты одной программы могут занимать в оперативной памяти несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса (аналогичную таблице страниц), в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и некоторая другая информация. Если виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном экземпляре. Система с сегментной организацией функционирует аналогично системе со страничной организацией: время от времени происходят прерывания, связанные с отсутствием нужных сегментов в памяти, при необходимости освобождения памяти некоторые сегменты выгружаются, при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Кроме того, при обращении к памяти проверяется, разрешен ли доступ требуемого типа к данному сегменту. Виртуальный адрес при сегментной организации памяти может быть представлен парой (g, s), где g — номер сегмента, а s — смещение в сегменте. Физический адрес получается путем сложения начального физического адреса сегмента, найденного в таблице сегментов по номеру g, и смещения s. Недостатком данного метода распределения памяти является фрагментация на уровне сегментов и более медленное по сравнению со страничной организацией преобразование адреса.

Похожие:

	1. Показать развитие и классификацию однопроцессорных архитектур. 2 В чем суть матричного и векторно-конвейерного способов организации simd-архитектуры? 5		Книга фгуп «Санкт-Петербургское окб «Электроавтоматика» Рассматриваются основные принципы построения перспективных бортовых цифровых вычислительных систем в авиационном приборостроении....
	Сто алтгту 14. 62 2433. 2012 Приложение в силлабус (памятка) Тема Общая теория управления. Функции и методы менеджмента. Основные понятия менеджмента. Развитие и становление менеджмента. Развитие...		Конспект урока биологии 10 класс Учитель: Полиектова Е. Ф. Тема:... Оборудование: компьютер, макет челюсти, плакаты «Строение зуба», «Развитие кариеса». Зеркала (индивидуальные), карточки для практических...
	Темы рефератов по ферментологии Строение и роль простых ферментов. Активный центр как структурная и функциональная часть фермента		Экзаменационные вопросы Морфологическая и функциональная характеристика сменного прикуса ...
	Пояснительная записка к курсовой работе на тему: “Цифровой диктофон” ...		Методы и средства программирования софт-архитектур для реконфигурируемых вычислительных систем Специальность 05. 13. 11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей
	Государственный образовательный стандарт высшего профессионального... Общая характеристика направления подготовки “Технологические машины и оборудование”		План-конспект урока Тема : Машиноведение. История швейной машины Цель урока: научить учащихся читать и выполнять эскиз, технический рисунок, чертёж, показать правила построения чертежей. Практический...
	I этап теоретическое задание 1 Цель и содержание Методы обследования и функциональная диагностика в терапии (73 вопроса)		Марий эл республикын туризм шотышто комитетше Методы обследования и функциональная диагностика в терапии (73 вопроса)
	И. А. Демидова Московская городская онкологическая больница №62 Методы обследования и функциональная диагностика в терапии (73 вопроса)		Стандарт медицинской помощи больным рассеянным склерозом Методы обследования и функциональная диагностика в терапии (73 вопроса)
	Рабочая программа дисциплины «Общая и неорганическая химия» «Общая и неорганическая химия» по направлению 240800 – "Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии...		Программа вступительного экзамена для поступающих в магистратуру... Поступающий в магистратуру по направлению 551800 «Технологические машины и оборудование» должен показать владение знаниями пакета...