Урок 12
Принципы устройства компьютеров
§32. Принципы устройства компьютеров. §33. Магистрально-модульная организация компьютера
Содержание урока
§32. Принципы устройства компьютеров
Принципы организации памяти
§33. Магистрально-модульная организация компьютера
§32. Принципы устройства компьютеров
Принципы организации памяти
Принцип адресности памяти. Оперативная память машины состоит из отдельных битов. Для записи или считывания группы соседних битов объединяется в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой адрес (номер). Нумерацию ячеек принято начинать с нуля.
Адрес ячейки памяти — это её номер.
Ячейка содержит минимально возможный считываемый из памяти объём данных: невозможно прочитать меньшее количество битов, а тем более отдельный бит.
Использование чисел для нахождения в памяти требуемых ячеек выглядит абсолютно естественно: в компьютерах любая информация кодируется числами, так что адреса ячеек — не исключение из этого фундаментального правила. Если номера соседних ячеек отличаются на единицу, удобно организовывать их последовательную обработку.
Разрядность ячеек памяти (количество битов в ячейке) в разных поколениях была различной. Первоначально ЭВМ были построены исключительно для математических расчётов. Числа желательно было представлять как можно точнее, поэтому ячейки ОЗУ в первых машинах были длинными. Кроме чисел машина должна была хранить в памяти ещё и команды программы; как правило, в то время размер числовой ячейки совпадал с размером команды, что существенно упрощало устройство памяти.
Примерно на стыке второго и третьего поколений ЭВМ стали использовать для обработки символьной информации, что привело к серьёзному неудобству: в существующую числовую ячейку памяти помещалось 4-5 символов. Инженеры выбрали наиболее простое решение проблемы — уменьшить размер ячейки так, чтобы можно было обращаться к каждому символу отдельно. Байтовая память, основой которой стала восьмибитная ячейка, прекрасно зарекомендовала себя и используется в компьютерной технике до настоящего времени.
В результате перехода к «коротким» ячейкам памяти числа стали занимать несколько ячеек (байтов), каждая из которых имеет собственный адрес. На рисунке 5.8, а показана организация ячеек памяти первых ЭВМ, а на рис. 5.8, б — современная (байтовая) структура памяти.
Рис. 5.8
На рисунке 5.8, а числа занимают по одной ячейке, причём номера этих ячеек отличаются на единицу. Справа показаны два 32-битных числа, которые хранятся в байтах 200—203 и 208—20В (адреса указаны в шестнадцатеричной системе). По принятому правилу за адрес числа принимается наименьший из адресов, так что в данном случае адреса чисел — 200 и 208. Кроме того, на рис. 5.8, б между числами (в байтах с 204 по 207) размещены четыре однобайтных символа. Заметим, что современные компьютеры могут извлекать из памяти до восьми соседних байтовых ячеек за одно обращение к памяти.
Очень важно, что информация может считываться из ячеек и записываться в них в произвольном порядке, поэтому организованную таким образом память принято называть памятью с произвольным доступом (англ. RAM — random access memory). Чтобы лучше понять смысл этого термина, сравните такую память с магнитной лентой, данные с которой можно получить только путем последовательного чтения.
Часто термин RAM отождествляют с русским термином ОЗУ — оперативное запоминающее устройство. Это не совсем точно. Дело в том, что кроме ОЗУ существует еще одна разновидность памяти с произвольным доступом — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, англ. ROM — Read Only Memory — память только для чтения). Главное отличие ПЗУ от ОЗУ заключается в том, что при решении задач пользователя содержимое ПЗУ не может быть изменено. ПЗУ гораздо меньше ОЗУ по объёму, но это очень важная часть компьютера, поскольку в нём хранится доступное в любой момент программное обеспечение. Благодаря этому ПО компьютер сохраняет работоспособность даже тогда, когда в ОЗУ нет никакой программы.
Таким образом, ОЗУ и ПЗУ — это два вида памяти с произвольным доступом, обращение к данным в которых построено на основе принципа адресности.
Принцип иерархической организации памяти. К памяти компьютера предъявляются два противоречивых требования: её объём должен быть как можно больше, а скорость работы — как можно выше. Ни одно реальное устройство не может удовлетворить им одновременно. Любое существенное увеличение объёма памяти неизбежно приводит к уменьшению скорости её работы. Действительно, если память большая, то обязательно усложняется поиск в ней требуемых данных1, а это сразу замедляет чтение из памяти. Кроме того, чем быстрее работает память, тем она дороже, и, следовательно, меньше памяти можно установить за приемлемую для потребителей стоимость.
1 Например, память большого объёма требует многоразрядного адреса, что, в свою очередь, приводит к очень большому количеству линий связи. В итоге приходится как-то изменять способ адресации, например передавать адрес по частям.
Чтобы преодолеть противоречие между объёмом памяти и её быстродействием, используют несколько различных видов памяти, связанных друг с другом. Когда в 1946 г. впервые формулировался этот принцип, в состав ЭВМ предполагалось включить всего два вида памяти: оперативную память и память на магнитной проволоке (предшественник устройств хранения данных на магнитной ленте). Дальнейшее развитие вычислительной техники подтвердило необходимость построения иерархической памяти: в современном компьютере уровней иерархии гораздо больше.
Следующая страница 
Выполнение программы
Cкачать материалы урока
