Внутрішня пам’ять організація і основні характеристики, апаратне виконання

Кеш центрального процесора розділений на кілька рівнів. В універсальному процесорі в даний час число рівнів може досягати 3. Кеш-пам'ять рівня N + 1 як правило більше за розміром і повільніше за швидкістю доступу і передачі даних, ніж кеш-пам'ять рівня N.

Найшвидшим пам'яттю є кеш першого рівня - L1-cache. По суті, вона є невід'ємною частиною процесора, оскільки розташована на одному з ним кристалі і входить до складу функціональних блоків. У сучасних процесорах зазвичай кеш L1 розділений на два кеша, кеш команд (інструкцій) і кеш даних (Гарвардська архітектура). Більшість процесорів без L1 кешу не можуть функціонувати. L1 кеш працює на частоті процесора, і, в загальному випадку, звернення до нього може проводитися кожен такт. Найчастіше є можливим виконувати декілька операцій читання / запису одночасно. Латентність доступу зазвичай дорівнює 2? 4 тактів ядра. Обсяг зазвичай невеликий - не більше 128 Кбайт.

Другим за швидкодією є L2-cache - кеш другого рівня, зазвичай він розташований на кристалі, як і L1. У старих процесорах - набір мікросхем на системній платі. Обсяг L2 кеша від 128 Кбайт до 1? 12 Мбайт. В сучасних багатоядерних процесорах кеш другого рівня. перебуваючи на тому ж кристалі, є пам'яттю роздільного користування - при загальному обсязі кеша в nM Мбайт на кожне ядро ​​доводиться по nM / nC Мбайта, де nC кількість ядер процесора. Зазвичай латентність L2 кешу, розташованого на кристалі ядра, становить від 8 до 20 тактів ядра.

Кеш третього рівня найменш швидкодіючий, але він може бути дуже значного розміру - більш 24 Мбайт. L3 кеш повільніше попередніх кешей, але все одно значно швидше, ніж оперативна пам'ять. У багатопроцесорних системах знаходиться в загальному користуванні і призначений для синхронізації даних різних L2.

Іноді існує і 4 рівень кеша, звичайно він розташований в окремій мікросхемі. Застосування кеша 4 рівня виправдано тільки для високопродуктивних серверів іМейнфреймов.

Проблему синхронізації між різними кешами (як одного, так і безлічі процесорів) вирішується когерентності кеша. Існує три варіанти обміну інформацією між кеш-пам'яттю різних рівнів, або, як кажуть, кеш-архітектури: інклюзивна, ексклюзивна і неексклюзивними.

Інклюзивна архітектура передбачає дублювання інформації кеша верхнього рівня в нижньому (краще фірма Intel).

Ексклюзивна кеш-пам'ять передбачає унікальність інформації, що знаходиться в різних рівнях кешу (за краще фірма AMD).

У неексклюзивної кеші можуть вести себе як завгодно.

Всі переваги у використанні кеш-пам'яті відносяться, в основному, до операцій читанні інформації. При виконанні операцій запису процесор передає в контролер пам'яті команду записи і записуються дані. На цьому дії процесора по запису закінчуються. Процесор може втрачати час на очікування закінчення записи, тільки при наступних зверненнях до пам'яті. Команда записи може ставитися до даних в форматі меншою номінальної ширини звернення до оперативної пам'яті, наприклад в форматі байта або слова, замість подвійного слова. У цих випадку тимчасові втрати можуть бути збільшені. Це операції читання "з наміром записи", які реалізуються послідовністю операцій: читання, модифікація, запис.

№28. Поняття системи команд процесора. RISC і CISC архітектура процесора. Основні відмінності.

З фізичної точки зору код команди нічим не відрізняється від звичайних даних в двійковому коді, розміщених в пам'яті обчислювача. Конкретний двійкового коду сприймається і обробляється процесором як команда в тому випадку, коли він потрапляє в процесор у фазі читання коду команди.

З логічної точки зору в двійковому коді команди існують групи розрядів - поля - з різним функціональним призначенням.

Система команд процесора - забезпечує виконання програмою дій по обробці даних. Більшість команд в системі команд процесора має прикладне призначення, проте в деякі команди з набору команд процесора призначені для організації управління обчислювальним процесом і, таким чином, безпосередньо підтримують функціонування ОС.

Архітектури CISC і RISC

Основою архітектури сучасних робочих станцій і серверів є архітектура комп'ютера зі скороченим набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer). традицію спрощення архітектури С. Крей з успіхом застосував при створенні широко відомої серії суперкомп'ютерів компанії Cray Research. Однак остаточно поняття RISC в сучасному його розумінні сформувалося на базі трьох дослідних проектів комп'ютерів: процесора 801 компанії IBM, процесора RISC університету Берклі і процесора MIPS Стенфордського університету.

Серед інших особливостей RISC -Архітектура слід відзначити наявність досить великого реєстрового файлу (в типових RISC-процесорах реалізуються 32 або більше число регістрів в порівнянні з 8 - 16 регістрами в CISC-архітектур), що дозволяє більшого обсягу даних зберігатися в регістрах на процесорному кристалі більше час і спрощує роботу компілятора з розподілу регістрів під змінні.

Розвиток архітектури RISC в значній мірі визначалося прогресом в області створення оптимізують компіляторів. Саме сучасна техніка компіляції дозволяє ефективно використовувати переваги більшого реєстрового файлу, конвеєрної організації і більшої швидкості виконання команд. Сучасні компілятори використовують також переваги іншій оптимізаційної техніки для підвищення продуктивності, зазвичай застосовується в процесорах RISC: реалізацію затриманих переходів і суперскалярной обробки, що дозволяє в один і той же момент часу видавати на виконання кілька команд.

Слід зазначити, що в останні розробки компанії Intel (маються на увазі Pentium і Pentium Pro), а також її послідовників-конкурентів (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 і ін.) Широко використовуються ідеї, реалізовані в RISC-мікропроцесори, так що багато розходжень між CISC і RISC стираються. Однак складність архітектури та системи команд x86 залишається і є головним чинником, що обмежує продуктивність процесорів на її основі.

Переваги і недоліки архітектури PA-RISC компанії Hewlett Packard

Внутрішня пам'ять: організація і основні характеристики, апаратне виконання.

Види внутрішньої пам'яті

Виділяють два основних види пам'яті - оперативна і дискова. Розглянемо докладніше внутрішню пам'ять комп'ютера, яка фізично представлена ​​модулями (мікросхемами) оперативної (ОЗУ або RAM) і постійної (ПЗУ або ROM) пам'яті.

Оперативна пам'ять забезпечує запис, зчитування і зберігання інформації. Для побудови ОЗУ використовують мікросхеми статичної та динамічної пам'яті.

Оперативна пам'ять (ОП) призначена для тимчасового зберігання виконуваних програм і даних, які обробляються цими програмами. Це енергозалежна пам'ять. Фізично реалізується в модулях ОЗУ (оперативних запам'ятовуючих пристроях) різного типу. При виключенні електроживлення вся інформація в оперативній пам'яті зникає.

Кеш пам'ять - дуже швидка пам'ять малого обсягу служить для збільшення продуктивності комп'ютера, узгодження роботи пристроїв різної швидкості.

Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) - незалежна пам'ять для зберігання програм управління роботою і тестування пристроїв ПК.Важнейшая мікросхема ПЗУ - модуль BIOS (Basic Input / Output System - базова система введення / виведення), в якому зберігаються програми автоматичного тестування пристроїв після включення комп'ютера і завантаження ОС в оперативну пам'ять. Це незруйновністю пам'ять, яка не змінюється при виключенні живлення

Перепрограмувальна постійна пам'ять (Flash Memory) - незалежна пам'ять, яка припускає багаторазову перезапис свого вмісту

CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) - пам'ять з невисокою швидкодією і мінімальним енергоспоживанням від батарейки. Використовується для зберігання інформації про конфігурацію і склад устаткування комп'ютера, про режими його роботи. Вміст змінюється програмою, що знаходиться в BIOS (Basic Input Output System).