Podstawy Informatyki

—————————————————————————————

Architektura komputera - pamięci

Spis treści

1.PAMIĘCI KOMPUTERA............................................................................................................................................................................................................3

1.1 P

ODSTAWOWA KLASYFIKACJA PAMIĘCI

.....................................................................................................................................................................................5

1.1.1

Podział ze względu na rolę w systemie komputerowym:............................................................................................................................................5

1.1.2

Podział ze względu na trwałość zapisu......................................................................................................................................................................9

1.1.3

Podział ze względu na sposób dostępu do pamięci.................................................................................................................................................. 11

1.1.4

Podział ze względu na trwałość krótkoterminową zapisu........................................................................................................................................12

1.2 P

AMIĘCI

RAM –

PAMIĘĆ O DOSTĘPIE SWOBODNYM

................................................................................................................................................................15

1.2.1

Łączenie układów pamięci .......................................................................................................................................................................................21

1.3. P

AMIĘCI

ROM .......................................................................................................................................................................................................................25

LITERATURA ...............................................................................................................................................................................................................................29

2

Podstawy Informatyki

Pamięci

1.Pamięci komputera

Pamięć komputera [8] jest scharakteryzowana przez:

- pojemność

- szybkość

- koszt

- pobór mocy

3

Podstawy Informatyki

Pojemność pamięci – potencjalna ilość przechowywanej informacji. Określa się ją w

jednostkach bit, bajt lub słowo o zadanej liczbie bitów np. 8, 16, 32, 64. W celu

właściwego adresowania pamięci, dzieli się ją na fragmenty. Pojemność określa się

biorąc długość słowa i liczbę słów. W pamięciach masowych określa się sektory

zawierające większe ilości słów

Pamięci

Szybkość pamięci – oznacza częstotliwość, z jaką procesor może korzystać z pamięci.

Szybkość jest określona przez

czas dostępu – okres czasu od sygnału żądania dostępu do uzyskania danej,

czas cyklu - najkrótszy czas między dwoma żądaniami dostępu do pamięci

szybkość transmisji - określa ile informacji dyskretnej można przesłać pomiędzy

pamięcią a innym urządzeniem w jednostce czasu, mierzona w kb/s lub kB/s (kilobitów

na sekundę lub kilobajtów na sekundę).

Koszt pamięci i zużycie energii rosną przy podwyższaniu parametrów pamięci.

4

Podstawy Informatyki

Pamięci

1.1 Podstawowa klasyfikacja pamięci

1.1.1 Podział ze względu na rolę w systemie komputerowym:

- Pamięć rejestrową procesora;

- Pamięć podręczna (cache);

- Pamięć operacyjna;

- Pamięć masowa;

- Pamięć zewnętrzna.

5

Podstawy Informatyki

Pamięć rejestrowa procesora jest to część procesora zawierająca rejestry 16 i 32

bitowe. Dostęp do nich zapewniają multipleksery sterowane przez układ sterujący

procesora. Czas dostępu do pamięci rejestrowej wynosi ułamki nanosekundy. Zawartość

pamięci rejestrowej istnieje w czasie pracy procesora. Budowa pamięci: pamięć

Pamięci

statyczna z układu przerzutników. Powodem krótkiego czasu dostępu jest rola tej

pamięci. Procesor wykonuje na jej zawartości bezpośrednio operacje logiczne i

arytmetyczne.

6

Podstawy Informatyki

Multiplekser jest układem cyfrowym, który należy wraz z dekoderem do grupy

układów komutacyjnych. Multiplekser służy do wybierania jednego ze słów dostępnych

na wejściu i przesłania go do wyjścia [7].

Pamięci

a)

b)

Rys.1.1. Multiplekser a) symbol, b) schemat

7

Podstawy Informatyki

Pamięć podręczna (cache). Pamięć statyczna o pojemności kilkaset KB. Dostęp do

tej pamięci jest swobodny. Pamięć jest zintegrowana z procesorem. Dane są

przechowywane w pamięci cache tylko w czasie podłączenia zasilania. Służy do

Pamięci

przechowywania najczęściej wykorzystywanych podczas obliczeń fragmentów pamięci

operacyjnej. Czas dostępu do tej pamięci wynosi kilka nanosekund. Przeniesienie

wybranych fragmentów zawartości pamięci operacyjnej do pamięci cache, która działa

szybciej od operacyjne powoduje, że cykl maszynowy skraca się

Pamięć operacyjna zawiera kilkaset MB pamięci częściowo stałej o dostępie

swobodnym (ROM) na część systemową i dynamicznej o dostępie swobodnym (DRAM)

na część użytkową; jest stosunkowo tania, czas dostępu do niej to kilkanaście

nanosekund; zawartość pamięci dynamicznej istnieje tylko przez kilkadziesiąt milisekund

w czasie podłączenia zasilania i wymaga odświeżania; jest używana do

przechowywania danych i kodów zadań aktualnie potrzebnych do wykonywania.

8

Podstawy Informatyki

Pamięć masowa – kilkadziesiąt lub kilkaset GB pamięci przede wszystkim

dyskowej, do której czas dostępu wynosi kilka milisekund; jest tania a jej zawartość jest

Pamięci

trwała (nie licząc starzenia się zapisu magnetycznego na dysku); służy do

przechowywania wszystkich stale używanych w danym systemie komputerowym kodów

programów i danych.

Pamięć zewnętrzna - wymienne dyski lub dawniej kasety do tzw. streamerów,

pamięć taśmowa o stosunkowo długim i to sekwencyjnym sposobie dostępu ale i o

praktycznie nieograniczonej pojemności; bardzo tania, ale nadająca się tylko do

przechowywania archiwaliów programów i danych.

1.1.2 Podział ze względu na trwałość zapisu

Pamięci dzieli się z punktu widzenia trwałości zapisu na

- Pamięci stałe

9

Podstawy Informatyki

- Pamięci ulotne.

Pamięci

Pamięci stałe zachowują zapisane w nich dane po wyłączeniu zasilania komputera.

Mogą to być:

- pamięci półprzewodnikowe ROM zaprogramowane przez producenta,

- pamięci zaprogramowane przez użytkownika UVPROM, EEPROM,

- pamięci dyskowe.

Pamięci ulotne nie zachowują zapisanych danych po wyłączeniu zasilania

Są to

- pamięci operacyjne,

- podręczne,

- rejestrowe.

10

Podstawy Informatyki

Pamięci

1.1.3 Podział ze względu na sposób dostępu do pamięci

Ze względu na dostęp rozróżnia się:

- Pamięć o dostępie swobodnym;

- Pamięć o dostępie cyklicznym

- Pamięć o dostępie sekwencyjnym

- Pamięć asocjacyjna.

Pamięć o dostępie swobodnym RAM (Random Access Memory).

Zapis lub odczyt z tej pamięci wymaga określenia przez system komputerowy adresu

komórki. Jest to na przykład pamięć operacyjna.

11

Podstawy Informatyki

Pamięć o dostępie cyklicznym. Dostęp do danych jest możliwy okresowo. Tak

Pamięci

skonstruowana jest pamięć dyskowa.

Pamięć o dostępie sekwencyjnym. W przypadku tej pamięci dostęp do danych

odbywa się w określonej kolejności. Tak działa pamięć taśmowa.

Pamięć asocjacyjna (skojarzeniowa, adresowalna przez zawartość). W

odpowiedzi na pobudzenie wzorcem. Jedno ze słów zgodnych wybrane według

określonego kryterium selekcji (pierwsze zgodne, ostatnie zgodne, tylko jedynki lub zera

na pozycjach maskowanych) może być skopiowane do bufora wyjściowego [3]. Pamięć

jest wykonywana jako statyczna.

1.1.4 Podział ze względu na trwałość krótkoterminową zapisu

Wyróżnia się dwa rodzaje pamięci:

- Pamięć statyczną;

12

Podstawy Informatyki

- Pamięć dynamiczną.

Pamięci

Pamięć statyczna. Pamięć jest realizowana za pomocą przerzutników

przyjmujących dwa trwałe stany. Dane są pamiętane, gdy układy są zasilane. Szybkość

działania tych przerzutników jest duża. Poza tym pobór mocy jest znaczny i złożoność

układu.

13

Podstawy Informatyki

Pamięć dynamiczna. Pamięć ta jest zbudowana z tranzystorów MOS. Tranzystor

MOS jest tranzystorem polowym z izolowaną bramką. Sterowanie odbywa się za

pomocą pola elektrycznego). Stan 1 odpowiada naładowaniu pojemności kondensatora

tranzystora MOS a 0 stanowi rozładowania. Stan 1 zanika po kilkudziesięciu

milisekundach, ponieważ kondensator rozładowuje się. Wymaga to stosowania

odświeżania stanu. Zaletą tego typu pamięci jest możliwość stosowania wielkiej skali

integracji w porównaniu z pamięciami statycznymi i mniejszy pobór mocy. Natomiast

szybkość działania jest mniejsza.

Pamięci

Pamięci

Z dostępem

swobodnym

Z dostępem
cyklicznym

Z dostępem

sekwencyjnym

Z dostępem

asocjacyjnym

Rejestrowa

Kieszeniowa

Operacyjna

Masowa

ROM

RAM

Dynamiczna

Statyczna

Zewnętrzna

14

Podstawy Informatyki

Rys.1.2. Podstawowa klasyfikacja pamięci

Pamięci

1.2 Pamięci RAM – pamięć o dostępie swobodnym

Pamięć RAM pamięcią ulotną. Zbudowana jest w postaci matrycy komórek, czyli

zbioru jednakowych elementów uporządkowanych w ten sposób, aby można było

odczytać zawartość określonych komórek. Rozmiary pamięci zależą

- magistrali,

- adresowania.

Komunikacja procesora z pamięcią odbywa się poprzez podanie adresu o n bitach,

sygnałów dostępu i sygnałów zapisu i odczytu.

Uporządkowanie komórek pamięci RAM na słowa może być bitowe lub bajtowe.

15

Podstawy Informatyki

DMA (Direct Memory Access – bezpośredni dostęp do pamięci) – technika, w której

Pamięci

inne układy (np. kontroler dysku twardego, karta dźwiękowa, itd.) mogą korzystać z

pamięci operacyjnej RAM lub (czasami) portów we-wy pomijając przy tym procesor

główny – CPU. Wymaga to współpracy ze strony procesora, który musi zaprogramować

kontroler DMA do wykonania odpowiedniego transferu, a następnie na czas przesyłania

danych zwolnić magistralę systemową (przejść w stan wysokiej impedancji). Sam

transfer jest już zadaniem wyłącznie kontrolera DMA.

16

Podstawy Informatyki

Pamięci narysowane symbolicznie na rysunku a) i b) mają tą samą pojemność

wynoszącą 32b, różnią się natomiast organizacją. Pamięć na rys a) ma organizację

bitową; możemy o niej powiedzieć, że jest to pamięć przeznaczona do pamiętania 32

słów 1 bitowych (32x1b). Pamięć na rys b) ma organizację bajtową, czyli przechowuje 4

słowa 8 bitowe (4x1B). Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na ilość linii danych i

adresowych dla każdej z pamięci.

Pamięci

Rys.1.3. Interpretacja organizacji pamięci

17

Podstawy Informatyki

Wadą pamięci RAM jest to, że są one ulotne, tj. ich zawartość jest tracona po

wyłączeniu napięcia zasilania. Aby pamięć taka (lub jej część) była nieulotna (non-

volatile) wyposaża się ją w układ bateryjny podtrzymujący napięcie po wyłączeniu

Pamięci

napięcia głównego. Innym rozwiązaniem może być

zastosowanie tzw. pamięci NVRAM.

Jest to taka pamięć półprzewodnikowa, w której w jednej obudowie scalono pamięci

RAM i EEPROM. W; trybie pracy pracuje tylko pamięć RAM, a pod wpływem

odpowiedniego sygnału zewnętrznego zawartość tej pamięci jest przepisywana do

pamięci EEPROM.

Pamięci RAM można podzielić na dwie podstawowe grupy:

pamięci statyczne SRAM (static memory),

pamięci dynamiczne DRAM (dynamic memory).

18

Podstawy Informatyki

Pamięci statyczne są to szybkie pamięci, ale o stosunkowo niewielkiej pojemności i

dużym poborze mocy. Elementami takich pamięci są przerzutniki. Duży pobór mocy

powoduje trudności ze zbudowaniem pamięci o dużej pojemności. Dlatego pamięci

statyczne stosowane tam, gdzie nie jest wymagana duża pojemność, a jedynie duża

Pamięci

szybkość pracy. Przykładem takiego zastosowania jest pamięć kieszeniowa.

Pamięci dynamiczne zaś składają się z elementów, które nie są przerzutnikami, a

specjalnymi układami elektronicznymi zawierającymi mniejszą liczbę elementów.

Podstawowym elementem tych układów jest kondensator, którego stan naładowania

wskazuje na wartość bitu. Pamięci dynamiczne charakteryzują się małym poborem

mocy i stosunkowo dużą pojemnością. Wadą tych pamięci jest to, że informacja

pamiętana jest jedynie przez krótki czas - typowo kilka milisekund (2, 4, 8 ms). Po tym

czasie zawartość pamięci musi zostać odświeżona (refresh).

Tabela Zestawienie podstawowych właściwości pamięci dynamicznych i statycznych

19

Podstawy Informatyki

Cechy pamięci

DRAM

SRAM

Szybkość mała duża

Pamięci

Koszt niski wysoki

Pojemność duża mała

Pobór mocy

mały duży

Łatwość scalania

duża mała

Konieczność

odświeżania

tak nie

Główne

zastosowanie

główna pamięć

operacyjna

pamięć

kieszeniowa

(cache)

20

Podstawy Informatyki

Pamięci

1.2.1 Łączenie układów pamięci

Projektowanie bloków pamięci polega na łączeniu wielu jednakowych układów

pamięci i zapewnieniu odpowiedniego sposobu ich wysterowania. Łączenie to ma na

celu zwiększenie pojemności pamięci. Można w tym miejscu wyróżnić przynajmniej dwa

przypadki:

- zwiększanie długości słowa przy niezmienionej ilości słów,

- zwiększanie ilości słów przy niezmienionej długości słowa.

21

Podstawy Informatyki

Oczywiście w praktyce często oba przypadki występują jednocześnie.

W celu zwiększenia długości słowa pamięci magistralę danych buduje się z linii

danych kolejnych układów pamięci, natomiast magistralę adresową i sygnały sterujące

łączymy równolegle. Połączenie równoległe wejść adresowych oznacza, że we

wszystkich układach, z których buduje się blok o większej długości słowa, wybiera się

Pamięci

słowa położone w takim samym miejscu. Sygnały sterujące aktywują wszystkie układy

przechowujące słowa składowe tworzące słowo o zwiększonej długości, zatem muszą

połączone równolegle sygnały E. Sygnały zapis lub odczyt łączy się również równolegle.

Przykład zwiększania długości słowa przedstawia rys. 1.4.

22

Podstawy Informatyki

Zwiększenie ilości słów pamięci oznacza zwiększenie ilości potrzebnych adresów,

a co za tym idzie - rozbudowę szyny adresowej o dodatkowe bity potrzebne do

uzyskania tych adresów. Przy niezmienionej długości słowa szyna danych pozostaje bez

zmian. Dodatkowe bity adresu służą, przy wykorzystaniu dekodera, do wyboru jednego z

łączonych układów pamięci, z którego odczytamy lub do którego zapiszemy informację.

Wyboru dokonujemy przy użyciu wejścia E uaktywniającego układy pamięci. Magistrale

adresowe, danych i sygnały sterujące układów, z których buduje się nowy blok pamięci,

łączy się równolegle.

Pamięci

Rys.1.4. Zwiększenie długości słowa pamięci

23

Podstawy Informatyki

Załóżmy, że mamy do dyspozycji układy pamięci 16 x 4b i chcemy zbudować blok

pamięci 64 x 4b. Do jego budowy musimy użyć czterech układów pamięci oraz

Pamięci

dekodera. Sposób ich połączenia pokazuje rys.1.5.

Rys.1.5. Zwiększanie ilości słów pamięci

24

Podstawy Informatyki

Bity A

4

i A

5

adresu, podawane na dekoder, uaktywniają dokładnie jedno z jego

Pamięci

czterech wyjść. Powoduje to z kolei uaktywnienie dokładnie jednego układu pamięci. W

ramach tego układu przy pomocy pozostałych bitów adresu wybiera się słowo, na

którym zostanie wykonana operacja zapisu bądź odczytu.

1.3. Pamięci ROM

25

Podstawy Informatyki

Pamięć ROM (Read Only Memorny) jest pamięcią nieulotną, przeznaczoną tylko do

odczytu. Nieulotność oznacza, że po wyłączeniu napięcia zasilania tej pamięci,

informacja w niej przechowywana nie jest tracona (zapominana). Określenie, że jest to

pamięć tytko do odczytu, nie jest równoznaczne z tym, że zawartości tej pamięci w

określonych warunkach nie można zmieniać. Dla niektórych typów technologicznych

pamięci ROM jest to możliwe. Określenie; oznacza, że do pamięci tej nie można

zapisywać danych w trakcie jej normalnej pracy w systemie.

Pamięci

Poniższy podział pamięci ROM oparty jest przede wszystkim na własnościach

użytkowych tych pamięci, choć niewątpliwie ma to związek z zasadą ich działania i

technologią wykonania. Niektóre z wymienionych typów pamięci ROM nie są już

używane, ale były pewnym, bardzo ważnym etapem w rozwoju tych pamięci.

Podstawowymi typami pamięci ROM są:

MROM (ang. mascable ROM) - pamięci, których zawartość jest ustalana w procesie

produkcji (przez wykonanie odpowiednich masek - stąd nazwa) i nie może być

zmieniana. Przy założeniu realizacji długich serii produkcyjnych jest to najtańszy rodzaj

pamięci ROM. W technice komputerowej dobrym przykładem zastosowania tego typu

pamięci jest BIOS obsługujący klawiaturę.

26

Podstawy Informatyki

PROM (programmable ROM) - pamięć jednokrotnie programowalna. Oznacza to, że

użytkownik może sam wprowadzić zawartość tej pamięci, jednakże potem nie można jej

Pamięci

już zmieniać. Cecha ta wynika z faktu, że programowanie tej pamięci polega na

nieodwracalnym niszczeniu niektórych połączeń wewnątrz niej. Obecnie ten typ pamięci

nie jest już używany.

EPROM - pamięć wielokrotnie programowalna, przy czym kasowanie poprzedniej

zawartości tej pamięci odbywa się drogą naświetlania promieniami UV. Programowanie i

kasowanie zawartości tej pamięci odbywa się poza systemem, w urządzeniach zwanych

odpowiednio kasownikami i programatorami pamięci EPROM. Pamięć ta wychodzi już z

użycia.

27

Podstawy Informatyki

EEPROM - pamięć kasowana i programowana na drodze czysto elektrycznej.

Istnieje możliwość wprowadzenia zawartości tego typu pamięci bez wymontowywania jej

z systemu, jeżeli oczywiście jego projektant przewidział taką opcję, choć czas zapisu

informacji jest nieporównywalnie dłuższy niż czas zapisu do pamięci RAM. W tego typu

Pamięci

28

Podstawy Informatyki

pamięci przechowywany jest tak zwany Flash-BIOS czyli oprogramowanie BIOS, które

może być uaktualniane (przez wprowadzanie jego nowej wersji).

Literatura

Literatura

[1] Małecki R., Arendt D., Bryszewski A., Krasiukianis R.: Wstęp do Informatyki. Skrypt P.Ł. Łódź, 1997
[2]

Kisielewicz A.: Wprowadzenie do informatyki. Helion, Gliwice 2002

[3]

Biernat J.: Architektura komputerów. Politechnika Wrocławska, Wrocław 2002

[4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Chipset
[5] pl.wikipedia.org/wiki/PCI_Express
[6] pl.wikipedia.org/wiki/Magistrala_komunikacyjna
[7]

Misiurewicz P.: Systemy mikrokomputerowe.WsiP, Warszawa 1986

[8] http://ii.ap.siedlce.pl/~florek/sk/systemy_komputerowe_pliki/pamieci.html

29

Podstawy Informatyki