Pamięć komputerowa - pamięc cache, rejestratory i wiele innych

Pamięć komputerowa - pamięc cache, rejestratory i wiele innych

Autorem artykułu jest RatujPC

Pamięć komputerowa to różnego rodzaju urządzenia i bloki funkcjonalne komputera, służące do przechowywania danych i programów (systemu operacyjnego oraz aplikacji). Potocznie przez "pamięć komputerową" rozumie się samą pamięć operacyjną.

Hierarchia pamięci opiera się na „oddaleniu” od procesora, gdzie odległość określa czas dostępu do danych.

Rejestry procesora to komórki pamięci o niewielkich rozmiarach (najczęściej 4/8/16/32/64/128 bitów) umieszczone wewnątrz procesora i służące do przechowywania tymczasowych wyników obliczeń, adresów lokacji w pamięci operacyjnej itd. Większość procesorów przeprowadza działania wyłącznie korzystając z wewnętrznych rejestrów, kopiując do nich dane z pamięci i po zakończeniu obliczeń odsyłając wynik do pamięci.

Rejestry procesora stanowią najwyższy szczebel w hierarchii pamięci, będąc najszybszym z rodzajów pamięci komputera, zarazem najdroższą w produkcji, a co za tym idzie - o najmniejszej pojemności. Realizowane zazwyczaj za pomocą przerzutników dwustanowych, z reguły jako tablica rejestrów (blok rejestrów, z ang. register file).

Liczba rejestrów zależy od zastosowania procesora i jest jednym z kryteriów podziału procesorów na klasy CISC i RISC. Proste mikroprocesory mają tylko jeden rejestr danych zwany akumulatorem, procesory stosowane w komputerach osobistych - kilkanaście, natomiast procesory w komputerach serwerowych mogą mieć ich kilkaset.

Cache (pamięć podręczna) to mechanizm, w którym ostatnio pobierane dane dostępne ze źródła o wysokiej latencji i niższej przepustowości są przechowywane w pamięci o lepszych parametrach.

Cache jest elementem właściwie wszystkich systemów - współczesny procesor ma 2 albo 3 poziomy pamięci cache oddzielającej go od pamięci RAM. Dostęp do dysku jest buforowany w pamięci RAM, a dokumenty HTTP są buforowane przez pośredniki HTTP oraz przez przeglądarkę.

Systemy te są tak wydajne dzięki lokalności odwołań - jeśli nastąpiło odwołanie do pewnych danych, jest duża szansa, że w najbliższej przyszłości będą one potrzebne ponownie. Niektóre systemy cache próbują przewidywać, które dane będą potrzebne i pobierają je wyprzedzając żądania. Np. cache procesora pobiera dane w pakietach po kilkadziesiąt czy też więcej bajtów, cache dysku zaś nawet do kolejnych kilkuset kilobajtów czytanego właśnie pliku.

Pamięć operacyjna (en. internal memory, Primary storage). Jest to pamięć adresowana i dostępna bezpośrednio przez procesor, a nie przez urządzenia wejścia-wyjścia procesora. W pamięci tej mogą być umieszczane rozkazy (kody operacji) procesora (program) dostępny bezpośrednio przez procesor i stąd nazwa pamięć operacyjna. W Polsce często pamięć ta jest utożsamiana z pamięcią RAM, choć jest to zawężenie pojęcia, pamięcią operacyjną jest też pamięć nieulotna (ROM, EPROM i inne jej odmiany) dostępna bezpośrednio przez procesor. Obecnie pamięci operacyjne są wyłącznie pamięciami elektronicznymi, dawniej używano pamięci ferrytowych.

W obecnych komputerach głównym rodzajem pamięci operacyjnej jest pamięć RAM, wykonana jako układy elektroniczne, wykorzystywana przez komputer do przechowywania programu i danych podczas jego pracy.

Pamięć masowa (ang. mass memory, mass storage) – pamięć trwała, przeznaczona do długotrwałego przechowywania dużej ilości danych w przeciwieństwie do pamięci RAM i ROM. Pamięć masowa zapisywana jest na zewnętrznych nośnikach informacji. Nośniki informacji zapisywane i odczytywane są w urządzeniach zwanych napędami.

Nośniki magnetyczne:

dyski stałe - pamięć o dostępie bezpośrednim; nośniki danych zainstalowane w macierzach dyskowychtaśmy magnetyczne - pamięć o dostępie sekwencyjnym zapisywana i odczytywana w napędzie taśmowym

Napędy optyczne:

CD-ROMpłyty DVDpłyty Blu-Ray Diskpłyty HD DVD

Pamięci półprzewodnikowe (pozbawione części mechanicznych), współpracujące z różnymi złączami komunikacyjnymi:

pamięci USB.karty pamięci

Pamięć offline tworzą dane, które są składowane na nośniku poza serwerem. Najbardziej popularnymi pamięciami offline są nośniki taśm i nośniki optyczne. Chociaż nośniki optyczne stają się coraz bardziej popularne, to nośniki taśm są stosowane najczęściej. Inną opcją, której można używać, są wirtualne nośniki optyczne. Wirtualnych nośników optycznych można używać do składowania obrazów wirtualnych na jednostkach dyskowych. Następnie obrazy takie można kopiować na dyski CD lub DVD albo rozpowszechniać je przez sieć.

---

Pomoc Drogowa Katowice

Artykuł pochodzi z serwisu www.Artelis.pl

Pamięci RAM - przerwanie

Pamięci RAM- przerwanie

Autorem artykułu jest RatujPC

Przerwanie (ang. interrupt) lub żądanie przerwania (IRQ – Interrupt ReQuest) – sygnał powodujący zmianę przepływu sterowania, niezależnie od aktualnie wykonywanego programu.

Pojawienie się przerwania powoduje wstrzymanie aktualnie wykonywanego programu i wykonanie przez procesor kodu procedury obsługi przerwania (ang. interrupt handler).

Przerwania dzielą się na dwie grupy:

Sprzętowe: Zewnętrzne – sygnał przerwania pochodzi z zewnętrznego układu obsługującego przerwania sprzętowe; przerwania te służą do komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi, np. z klawiaturą, napędami dysków itp.Wewnętrzne, nazywane wyjątkami (ang. exceptions) – zgłaszane przez procesor dla sygnalizowania sytuacji wyjątkowych (np. dzielenie przez zero); dzielą się na trzy grupy: faults (niepowodzenie) – sytuacje, w których aktualnie wykonywana instrukcja powoduje błąd; gdy procesor powraca do wykonywania przerwanego kodu wykonuje tę samą instrukcję która wywołała wyjątek;traps (pułapki) – sytuacja, która nie jest błędem, jej wystąpienie ma na celu wykonanie określonego kodu; wykorzystywane przede wszystkim w debugerach; gdy procesor powraca do wykonywania przerwanego kodu, wykonuje następną, po tej która wywołała wyjątek, instrukcję;aborts – błędy, których nie można naprawić. Programowe – z kodu programu wywoływana jest procedura obsługi przerwania; najczęściej wykorzystywane do komunikacji z systemem operacyjnym, który w procedurze obsługi przerwania (np. w DOS 21h, 2fh, Windows 2fh, Linux x86 przerwanie 80h) umieszcza kod wywołujący odpowiednie funkcje systemowe w zależności od zawartości rejestrów ustawionych przez program wywołujący, lub oprogramowaniem wbudowanym jak procedury BIOS lub firmware.

W następnym artykule trochę więcej w temacie.

---

Obsługa Informatyczna

Artykuł pochodzi z serwisu www.Artelis.pl

Pamięć podręczna CACHE - informacje

Pamięć podręczna CACHE- informacje

Autorem artykułu jest RatujPC

fektywność stosowania cache zależy w znacznej mierze od sposobu ułożenia kodu programów i danych pobieranych z pamięci przez mikroprocesory. Zwykle kod i dane nie są "porozrzucane" przypadkowo po całej dostępnej przestrzeni adresowej w pamięci RAM.

Większość odwołań do pamięci w trakcie wykonywania programu odbywa się przez pewien czas pracy mikroprocesora w wąskim obszarze. Zjawisko to jest określane mianem lokalności odniesień.

Lokalność odniesień można uzasadnić intuicyjnie w następujący sposób:

Z wyjątkiem rozkazów skoku i wywołania procedury, realizacja programów ma charakter sekwencyjny. Tak więc, w większości przypadków następny rozkaz przewidziany do pobrania z pamięci następuje bezpośrednio po ostatnio pobranym rozkazie. Rzadkością jest występowanie w programach długich, nieprzerwanych sekwencji wywołań procedury (procedura wywołuje procedurę itd.), a potem długiej sekwencji powrotów z procedur. Wymagałoby to ciągłego odwoływania się do oddalonych od siebie obszarów pamięci głównej, zawierających kody poszczególnych procedur. Większość pętli (konstrukcji bardzo często występujących w programach) składa się z małej liczby wielokrotnie powtarzanych rozkazów. Podczas iteracji następuje kolejne powtarzanie zwartej części programu. W wielu programach znaczna część obliczeń obejmuje przetwarzanie struktur danych, takich jak tablice lub szeregi rekordów ułożone kolejno w pamięci operacyjnej. Tak, więc procesor pobiera dane zapisane w sposób uporządkowany w małym jej fragmencie.

Oczywiście w długim czasie wykonywania programu procesor potrzebuje dane rozmieszczone w różnych odległych miejscach pamięci. Zwykle jednak, po wykonaniu skoku następne odniesienia odbywają się już lokalnie. Przepisanie bloku kolejnych komórek pamięci do szybkiego układu cache może, więc skutecznie przyspieszyć dostęp do pamięci.

W stosowanych obecnie rozwiązaniach można wyróżnić następujące poziomy pamięci podręcznej.

L1 - (level 1) zintegrowana z procesorem - umieszczona wewnątrz jego struktury. L2 - (level 2) umieszczona w jednej obudowie układu scalonego mikroprocesora lub na wspólnej płytce hybrydowej (Pentium II). L3 - (level 3) występuje w bezpośrednim sąsiedztwie procesora ITANIUM.

Pamięć podręczna najniższego poziomu (L1 – Level 1) jest stosunkowo mała, ale dane w niej zgromadzone są szybko dostępne dla procesora. W wypadku braku potrzebnych w danym momencie danych (braku trafienia), następuje odwołanie do pamięci kolejnych, wyższych poziomów. Po ich odczycie następuje przepisanie do niższych poziomów, tak by były szybciej dostępne w kolejnych odwołaniach. Jeśli dane nie są aktualnie buforowane w cache, następuje odczyt bloku pamięci głównej RAM, który je zawiera i wymiana zawartości cache. Pamięci niższych poziomów mogą mieć mniejszą pojemność i być bardziej efektywne. Procesor może szybko odczytywać mniejsze porcje danych w jednym cyklu zegara. Wyższe poziomy cache mają większe pojemności, dzięki czemu odwołania do RAM mogą odbywać się rzadziej. Można też w jednym odczycie przepisać większą porcję danych z RAM.

Ważnym zagadnieniem, jest podział pamięci podręcznej na oddzielny blok dla kodu programu i oddzielny blok dla danych. W taki sposób jest podzielona pamięć poziomu L1 procesora ITANIUM - Pamięć cache poziomów L2 i L3 jest już wspólna dla rozkazów i danych. W wielu (szczególnie starszych) procesorach wykorzystuje się również jednolitą pamięć podręczną poziomu L1. Takie rozwiązanie też posiada pewne zalety. Poniżej przedstawiono korzyści płynące z zastosowania pamięci oddzielnej i jednolitej.

Pamięć oddzielna kod i dane

Eliminowana jest rywalizacja o dostęp do pamięci między układem pobierania i dekodowania rozkazów w procesorze, a jednostką wykonującą w tym samym czasie inne, poprzednio pobrane rozkazy, które mogą wymagać odczytu pewnych zmiennych z cache. Ma to szczególne znaczenie w przypadku procesorów superskalarnych, w których kilka rozkazów jest wykonywanych równolegle. Dlatego we współczesnych procesorach poziom pamięci podręcznej L1 jest zawsze dzielony na blok danych i instrukcji.

Pamięć łączna dla kodu i danych

Poprawia się współczynnik trafień w tak zorganizowanej pamięci podręcznej, dzięki temu, że naturalnie równoważy się zapotrzebowanie na przechowywanie rozkazów i danych. Jeśli na przykład program wymaga ciągłego pobierania rozkazów i w małym stopniu korzysta z danych, dostępna pamięć podręczna zapełni się w większości rozkazami. Oddzielna cache dla danych w takiej sytuacji pozostałaby niewykorzystana. Drugą zaletą jest to, że upraszcza się układ procesora - łatwiej jest zrealizować w jego strukturze jeden bufor pamięci cache niż dwa.

---

Serwis Laptopów Katowice

Artykuł pochodzi z serwisu www.Artelis.pl

Budowa i organizacja pamięci podręcznej

Budowa i organizacja pamięci podręcznej

Autorem artykułu jest RatujPC

Pamięć cache jest zorganizowana w linijki (o rozmiarach 16 lub 32 bajty - 128 lub 256 bitów), w których są przechowywane informacje pobrane z RAM w postaci słów binarnych.

Jedna linijka jest najmniejszą porcją informacji - blokiem danych jaki układ cache wymienia z pamięcią operacyjną RAM. W różnych linijkach może być więc zapisana kopia zawartości odległych bloków z pamięci głównej.

Poniżej opisano budowę 32-bajtowej linijki pamięci podręcznej L1 w procesorze Pentium (rys. 3). W innych procesorach mogą być zastosowane trochę inne rozwiązania, jednak ogólna zasada organizacji cache w linijki pozostaje taka sama.

Procesor Pentium posiada oddzielną pamięć podręczną poziomu L1 dla kodu programu (8kB) i oddzielną dla danych (8kB). Każda z nich jest podzielona na 256 linijek (256 x 32 B = 8kB).

Aby zbiór takich linijek był dla procesora użyteczną strukturą, w której łatwo odszukać potrzebne dane, musi istnieć mechanizm zapisywania i kodowania dodatkowych informacji na temat każdej linijki. Przede wszystkim potrzebna jest informacja o tym, które fragmenty zawartości pamięci RAM są aktualnie skopiowane w poszczególnych linijkach. Jest to niezbędne, aby podczas żądania procesora odczytu z pamięci, kontroler cache mógł poprawnie określić czy dane są dostępne w linijkach, czy trzeba je sprowadzić z RAM. Wszystkie te informacje przechowuje się w katalogu cache (czasem określanym skrótem TAG-RAM). Jest on częścią pamięci podręcznej, która zawiera rekordy odpowiadające każdej linijce cache. Są w nich zakodowane informacje na temat danych aktualnie zapisanych w odpowiednich linijkach. Wartości poszczególnych pół tych rekordów mogą także wskazywać, że dana linijka jest wolna.

Podczas dostępu procesora do cache układy logiczne dzielą przekazywany przez niego adres na następujące części:

Znacznik (20 bitów) jest porównywany ze znacznikiem w katalogu cache. Na podstawie porównania znaczników określa się, czy potrzebne procesorowi dane są w linijce cache (określanie trafienia). Wiersz (7 bitów) określa, która pozycja (indeks) w katalogu 1 i katalogu 2 może odwzorowywać potrzebne dane.Słowo (3 bity) pozwala na określenie, które z ośmiu 32-bitowych słów przechowywanych w linijce zawiera dane potrzebne procesorowi.Bajt (2 bity) określa, który bajt w 32- bitowym słowie jest aktualnie potrzebny mikroprocesorowi.

W wypadku braku trafienia, tak zbudowany adres wskazuje blok w pamięci operacyjnej RAM, zawierający potrzebne dane. Zgodnie z zasadą działania cache, po odczytaniu zawartości bloku z RAM musi ona być zapisana do pamięci podręcznej. Na podstawie bitu LRU oraz części adresu (pola wiersz) jest wyznaczana linijka, do której można dokonać zapisu.

Skrót MESI używany do określania bitów w katalogu cache, został utworzony od pierwszych liter angielskich określeń czterech możliwych stanów linijki (Modified, Exclusive, Schared, Invalid). Na podstawie stanu bitów MESI można także określić, czy dane w poszczególnych linijkach są także zapisane w innych poziomach pamięci podręcznej. Stan bitów MESI zmienia się również podczas modyfikacji danych w pamięci. Dotychczas omawiane były jedynie zagadnienia związane ze skróceniem czas dostępu do danych i rozkazów podczas ich odczytu. Jednak procesor nie tylko odczytuje z pamięci RAM. W trakcie wykonywania programu musi też tam zapisywać wyniki swoich peracji, modyfikować pewne zmienne i dane. Niektóre z nich mogą być w tym czasie skopiowane także do pamięci podręcznej. Wiąże się z tym konieczność zadbania o aktualność obu kopii danych. Serwis komputerowy katowice poleca zwrócić uwagę jakie pamięci funkcnojują w naszym komputerze.

Do pamięci operacyjnej oprócz procesora mogą też mieć dostęp inne urządzenia. Mogą one zapisywać i odczytywać RAM bez udziału mikroprocesora. Jeśli dokonają zmiany słowa w RAM, którego kopia aktualnie jest przechowywana w cache, mogą spowodować, że procesor posiada w pamięci podręcznej nieaktualne dane. Również gdy procesor w trakcie programu dokona zmiany danych tylko w cache, inne urządzenia mogą odczytać bezpośrednio z RAM stare błędne wartości. Należy zaznaczyć, że taka niespójność może występować tylko dla pamięci podręcznej danych. W oddzielnej pamięci podręcznej kodu programu procesor nie zapisuje swoich wyników, gdyż przechowuje ona jedynie dla niego instrukcje - kolejne rozkazy. Są różne rozwiązania problemu spójności danych stosowane w różnych procesorach, jednakże generalnie można wyróżnić dwa sposoby:

Write Trougch (zapis jednoczesny)

W tym sposobie każdy zapis danych wykonywany jest jednocześnie zarówno do pamięci głównej jak i do cache. Każdy zapis wymaga więc dostępu procesora do pamięci RAM. Również każdy bezpośredni zapis do RAM wykonywany przez inne urządzenia musi być monitorowany przez procesor. W ten sposób może on w razie potrzeby uaktualnić zawartość cache. Jest to więc najbardziej naturalny sposób, jednak generuje znaczny przepływ danych między pamięciami co powoduje duże opóźnienia.

Wirte Back (zapis opóźniony)

W tym trybie przy zapisie procesor aktualizuje tylko pamięć podręczną. Jednocześnie dla zmodyfikowanych linijek układ cache ustawia odpowiednie statusy (na bitach MES). Zawartość pamięci głównej jest aktualizowana później na żądanie. Może ono być wyrażone przez instrukcję programową WBINVO (Write Back and Invalid Data Cache), lub specjalny sterujący sygnał sprzętowy.
Aktualizacja jest też wyzwalana w wyniku braku trafienia w fazie odczytu z pamięci głównej. Gdy trzeba dokonać wymiany linijki cache, zawartość linijki usuwanej mającej status zmodyfikowany (zakodowany na bitach MESI), musi być koniecznie zapisana do RAM.

Taka implementacja sposobu utrzymania spójności danych jest bardziej wydajna, minimalizuje ilość cyklów zapisu do pamięci głównej. Problemem jest jednak to, że bezpośredni dostęp zewnętrznych modułów wejścia-wyjścia do RAM także powoduje konieczność uaktualniania pamięci cache co może powodować pewne opóźnienia.

W trakcie wykonywania programu może też nastąpić konieczność zapisu danych w obszarach RAM, które nie są aktualnie skopiowane do pamięci podręcznej. Niektóre procesory w takim wypadku mogą po prostu dokonywać zapisu w RAM z pominięciem układu cache. W nowszych generacjach procesorów stosuje się mechanizm, w którym zapis danych pociąga za sobą skopiowanie odpowiedniego bloku RAM do linijki cache, gdzie jest on modyfikowany.

Dzięki temu ewentualny odczyt lub zapis tych samych danych w następnych rozkazach procesora może przebiegać już bez konieczności odwoływania się do RAM.

---

Pomoc Drogowa Katowice

Artykuł pochodzi z serwisu www.Artelis.pl

Pamięci RAM - pamięć wirtualna

Pamięci RAM- pamięć wirtualna

Autorem artykułu jest RatujPC

to mechanizm komputerowy zapewniający procesowi wrażenie pracy w jednym dużym, ciągłym obszarze pamięci operacyjnej podczas gdy fizycznie może być ona pofragmentowana, nieciągła i częściowo przechowywana na urządzeniach pamięci masowej.

Systemy korzystające z tej techniki ułatwiają tworzenie rozbudowanych aplikacji oraz poprawiają wykorzystanie fizycznej pamięci RAM. Często popełnianym błędem jest utożsamianie pamięci wirtualnej z wykorzystaniem pamięci masowej do rozszerzenia dostępnej pamięci operacyjnej. Rozszerzenie pamięci na dyski twarde w rzeczywistości jest tylko naturalną konsekwencją zastosowania techniki pamięci wirtualnej, lecz może być osiągnięte także na inne sposoby, np. nakładki lub całkowite przenoszenie pamięci procesów na dysk, gdy znajdują się w stanie uśpienia. Pamięć wirtualna działa na zasadzie przedefiniowania adresów pamięci tak, aby "oszukać" procesy i dać im wrażenie pracy w ciągłej przestrzeni adresowej.

Obecnie wszystkie systemy operacyjne ogólnego przeznaczenia wykorzystują techniki pamięci wirtualnej dla procesów uruchamianych w ich obrębie. Wcześniejsze systemy takie, jak DOS, wydania Microsoft Windows[1] z lat 80. oraz oprogramowanie komputerów mainframe z lat 60. nie pozwalały pracować w środowisku z pamięcią wirtualną. Godnymi odnotowania wyjątkami były komputery Atlas, B5000 oraz Apple Lisa.

Pamięć wirtualna wymaga wykonania pewnych dodatkowych nakładów pracy przy próbie odczytu lub zapisu, dlatego systemy wbudowane lub szczególnego przeznaczenia, gdzie czas dostępu jest czynnikiem krytycznym i musi być przewidywalny, często z niej rezygnują za cenę zmniejszonego determinizmu.

Stronicowana pamięć wirtualna

Prawie wszystkie istniejące obecnie implementacje dzielą wirtualną przestrzeń adresową procesu na strony. Strona jest to obszar ciągłej pamięci o stałym rozmiarze, zazwyczaj 4 KB. Systemy, gdzie zapotrzebowanie na wielkość wirtualnej przestrzeni adresowej jest większe lub dysponujące większymi zasobami pamięci operacyjnej mogą używać stron o większym rozmiarze. Rzeczywista pamięć operacyjna podzielona jest na ramki, których rozmiar odpowiada wielkości stron. System operacyjny według uznania może przydzielać ramkom strony pamięci lub pozostawiać je puste.

---

Serwis Laptopów Katowice

Artykuł pochodzi z serwisu www.Artelis.pl