Лекции по "Технические средства САПР"

Технические средства САПР   Лекция 03             Доцент, к.т.н., Алексеев Анатолий Васильевич

Раздел 3. Запоминающие устройства

ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ В МУЛЬТИПРОГРАММНЫХ  ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Аппаратные средства ЭВМ совместно с программным обеспечением и периферийными устройствами образуют вычислительную систему (ВС). В зависимости от класса ЭВМ и вида операционной системы ВС могут работать  в режиме однопрограммном или мультипрограммном.

В однопрограммном режиме  в памяти находится  и выполняется  только одна программа. Такой режим характерен для специализированных ЭВМ и ПК. Специализированные ЭВМ широко используются в производстве, быту и военной технике. Например, управление вращением вала шагового двигателя по одной из координат динамического моделирующего стенда.

В мультипрограммном режиме  в памяти ЭВМ находится несколько программ, которые выполняются частично или полностью между переходами процессора  от одной задачи к другой. Режим обеспечивается как аппаратными средствами, так и средствами ОС. Он характерен для высокопроизводительных вычислителей. Используется и в ПК, например, под управлением операционной системы UNIX.

Для реализации мультипрограммного режима необходима защита памяти от несанкционированного доступа  и  динамическое распределение памяти  между программами. Существует несколько способов динамического распределения памяти, целью которого является  уменьшение фрагментации оперативной памяти, т.е. появление несвязанных неиспользованных участков. Наиболее эффективно распределение оперативной памяти осуществляется в виртуальной памяти со страничной или сегментной организацией.

Виртуальная память – способ организации памяти,  при котором каждая программа может оперировать адресным пространством,  превышающим объем физической памяти. Таким образом, пользователь имеет дело с виртуальной, кажущейся  памятью, объем которой равен всему прямому адресному пространству независимо от  объема физической памяти и областей памяти,  необходимых для других программ. Такая организация  удобна для САПР, где велико число пользователей, одновременно использующих большие объёмы данных.

 

 

 

 

 

При страничной организации памяти (рис.выше), все поле памяти, а так же программы и данные  разбиваются на части  фиксированного размера – страницы, причём, программы и данные на математические страницы, а поле памяти  на физические страницы. Размеры  страницы в различных ЭВМ  изменяются от 512 до 4096 байт. При страничной организации памяти адрес состоит  из поля номера страницы и поля адреса в странице. При обращении к памяти осуществляется преобразование математического адреса в физический с использованием таблицы страниц, которое  может осуществляться программными и аппаратными средствами.

Сегментная организация предполагает разбиение всего участка памяти на сегменты, размер которых, в отличие от страниц, не фиксируется и может изменяться в процессе выполнения программы.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

 

Функциональные возможности ЭВМ  существенно зависят от иерархии, объёмов и характеристик запоминающих устройств. Единицей измерения информации принято считать 1 бит.

К основным характеристикам запоминающих устройств (ЗУ) относятся:

1. Емкость ЗУ – максимальное количество данных, которые можно хранить в ЗУ. Выражается в битах, байтах, словах. Длина слова, как правило, кратна байту. Используют единицы «кило = 2 в ст.10 = 1024» -  Кб, КБ, «мего», «гиго», «теро»;

2. Быстродействие ЗУ – характеризует время, затраченное на запись и считывание информации. Для оценки быстродействия используются различные временные соотношения процессов записи и считывания, такие как:

- время выборки – время от поступления в ЗУ запроса на  чтение данных до появления информации на шинах ЗУ;

- время цикла – наименьшее время между двумя последовательными обращениями к ЗУ;

3. Удельная стоимость хранения информации–стоимость хранения единицы информации.

 

Классификация ЗУ осуществляется по различным классификационным признакам:

1. По функциям,  выполняемым в общей структуре памяти ЭВМ;

2. По принципам действия ЗУ;

3. По составу операций обращения к ЗУ;

4. По организации доступа к информации;

5. По способу размещения и поиска информации;

6. В зависимости от организации обращения к ЗУ.

Классификация ЗУ по функциям, выполняемым  в общей структуре памяти ЭВМ

 

Запоминающие устройства подразделяются на СОЗУ, ОЗУ,  БЗУ, ПЗУ и ВЗУ.

СОЗУ – сверхоперативное  запоминающее устройство имеет быстродействие соизмеримое с быстродействием процессора. В качестве СОЗУ используются регистровые схемы и КЭШ память. В СОЗУ хранятся копии  наиболее часто используемых команд и данных из основного ОЗУ. Формирование содержимого КЭШ памяти осуществляется аппаратными средствами без участия программы, которая обращаясь к ОЗУ, фактически в большинстве случаев оперирует с информацией, выбранной из КЭШ памяти.

Так, в IBM на базе процессора Intel 80860 КЭШ включает 4 КБ для хранения команд и 8 КБ для хранения данных. СОЗУ  конструктивно входит в состав центрального процессора. В процессорах микро ЭВМ роль СОЗУ выполняют  встроенные в кристалл процессора регистры общего назначения (РОН).

ОЗУ – оперативное ЗУ предназначено для выполнения программ или их частей  и работает с циклом, который больше цикла работы процессора. ОЗУ строятся  на полупроводниковых ИС, БИС и могут наращиваться, поскольку обслуживают, как правило, 1 или 4 разряда данных. Так,  необходимая длинна машинного слова достигается последовательным включением микросхем памяти, а требуемый объем обеспечивается параллельным включением микросхем памяти с соответствующей дешифрацией адресов.

БЗУ – буферное ЗУ предназначено для промежуточного хранения информации при обмене между устройствами, работающими с различной скоростью передачи. Роль БЗУ выполняют, как правило, регистровые схемы или СОЗУ малой информационной емкости.

ВЗУ – внешнее ЗУ предназначено для хранения больших объемов информации. В настоящее время используются накопители на магнитных лентах - стримеры, гибких дисках – Floppy и Zip, жестких дисках – Jaz и винчестеры, а также накопители на оптических дисках.

ПЗУ – постоянное ЗУ  предназначено для хранения не меняющейся или редко меняющейся информации (таблицы, константы, микропрограммы, программы и т.д.) Основные требования, предъявляемые к ПЗУ, являются неразрушимость  хранимой информации и энергонезависимость, т.е. способность сохранения информации при отключении от источника питания. В настоящее время применяются ПЗУ на основе полупроводниковых ИС и БИС. Микросхемы ПЗУ изготавливаются масочным способом  на заводе изготовителе или программируются на специальных аппаратных средствах (программаторах) по определенной заранее отлаженной программе.

Изготовление ПЗУ промышленным способом:

Микросхема ПЗУ 8*4бита            Таблица соответствия данных адресам

А/Д       Д0       Д1       Д2       Д3

000         0          1          0         1

001         1          1          0         0

010         0          0          1         1

011         0          0          0         0

100         1          1          1         1

101         1          1          1         1

110         0          0          0         1

111         1          0          0         0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Один из принципов, положенный в  основу микросхемы ПЗУ, программируемых на программаторах, представлен на рисунке.

 

 

 

 

 

 

Прошивка производится на программаторе выжиганием плавких элементов в требуемых местах. Таким образом, пользователь сам по своему усмотрению может программировать ПЗУ для своей таблицы соответствия данных адресам. ПЗУ программируется только один раз. В технической литературе такие ПЗУ называют однократными.

Существуют и многократно –  записываемые ПЗУ, основанные на возможности  стирания записанной в них информации под воздействием ультрафиолетового  света.

Характерный комплект ЗУ, входящий в состав ЭВМ на основе микропроцессорных БИС: