2-Ma’ruza. Kompyuter tizimi xotirasini tashkil qilish. Kompyuterlarda xotirani tashkil qilish

Xotira. Xotira kompyuterda programmalar va berilganlarni, amal natijalarini saqlaydigan qurilma. Xotiraning turlari kop: tezkor, doimiy, tashqi, kesh, video va boshqalar. 
Tezkor xotira kompyuterning muhim qismi bolib, protsessor undan amallarni bajarish uchun programma, berilganlarni oladi va amalni bajarib, natijani yana unda saqlaydi. Shuni alohida ta’kidlash lozimki, kompyuter ochirilsa, tezkor xotirada saqlanayotgan programmalar va berilganlar yoq bolib ketadi. Shuning uchun ularni qattiq diskda yoki disklarda saqlab qolish kerak. Kompyuter ishlab turganda elektr tokini ogohlantirmasdan ochirish, umuman aytganda, katta zarar keltirishi mumkin. Barcha turdagi xotiralar uchun muhim tushuncha uning hajmidir. Kompyuterlarda ma’lumot birligining eng kichik olchovi sifatida bayt qabul qilingan bolib, 1 bayt 8 bit (ikkilik raqam)ga teng.

Kesh xotira. Kesh xotira kompyuterning ishlash tezligini oshirish uchun ishlatiladi. U tezkor xotira va mikroprotsessor orasida joylashgan bolib, uning yordamida amallar bajarish tezkor xotira orqali bajariladigan amallardan ancha tez bajariladi. Shuning uchun kompyuter xotiraning koproq ishlatiladigan qismi nusxasini kesh xotirada saqlab turadi. Mikroprotsessorning xotiraga murojaatida, avvalo, kerakli programma va berilganlar kesh xotirada qidiriladi. Berilganlarni kesh xotirada qidirish vaqti tezkor xotiradagiga nisbatan ancha kam bolgani uchun kesh xotira bilan ishlash vaqti ancha kam boladi. 
Videoxotira. Videoxotira monitor ekraniga video ma’lumotlarni (videotasvirlarni) saqlab turish uchun ishlatiladi. Shuni aytish lozimki, videotasvirlar (ayniqsa rangli) kompyuter xotirasida kop joy egallaydi. Shuning uchun video xotira hajmi qancha katta bolsa, shuncha yaxshi albatta.

RAMga kelsak, ushbu mavzu mavzusi jismoniy va mantiqiy tashkil etilishi, tarkibiy jihatdan ikkiga bo'linadi: saqlash moslamasi va boshqaruv bloki yoki xotira boshqaruvchisi.

Xotirani boshqarish boshqaruvchisi operativ xotiraning koordinatori bo'lib, protsessor va kirish-chiqish tizimlari interfeyslariga ulangan, ularning xotirasini yozish va undan o'qish uchun ma'lumotlarni olish uchun so'rovlarni qabul qiladi.
Tekshiruvchi so'rovni qabul qilgandan so'ng kirish / chiqish tizimiga ustunlik berib, saqlash qurilmasiga (xotiraga) kirish uchun navbatga qo'yadi, kirish va chiqish tizimiga ustunlik beradi, ularni ulaydigan interfeys protokoli bo'yicha xotira bilan aloqani tashkil qiladi.
Xotirani boshqarish moslamasining ishlashi to'g'ridan-to'g'ri tizimning funktsional imkoniyatlarining murakkabligiga bog'liq. Shunday qilib, masalan, nosimmetrik ko'p protsessor tizimlarida, xotira boshqaruvchisi tizimning barcha protsessorlaridan ma'lumotlarni olish uchun so'rovlar koordinatori bo'lib, ularni boshqa protsessor tomonidan ishlov berilgan bo'lsa, ularni bajarish yoki vaqtincha blokirovka qilish orqali qabul qiladi va shu bilan tizimdagi ma'lumotlarning muvofiqligini ta'minlaydi.
Ko'pgina hollarda, hisoblash tizimlaridagi zamonaviy tasodifiy kirish xotirasi dinamik xotirani anglatadi, bu vaqti-vaqti bilan operatsion xotirada ma'lumotni tiklash rejimini, ya'ni tashqi agentlardan xotira kirish blokirovkasini talab qiladigan qayta tiklash davrlarini talab qiladi. Bunday tsikllarning tashkil etilishi va ularning chastotasi boshqaruvchining vazifasidir.
Rejeneratsiya tsikllarining xotira ishiga ta'sirini kamaytirish uchun turli xil usullar qo'llanilgan. Bu, birinchidan, banklarni tashkil qilish va muqobil manzillar yordamida xotirani yaratish uchun modulli texnologiyalardan foydalanish, ya'ni bir vaqtning o'zida xotira tsikliga kirish mumkin bo'lgan turli xil xotira modullarida (mikrosxemalarda) ma'lumotlarning juft va g'alati manzillarni joylashtirish bilan. bitta modul regeneratsiya tsikli bilan boshqasida, partiyaviy rejim mavjud bo'lmaganda, ya'ni bir vaqtning o'zida tekis va g'alati manzildan ma'lumot olish.
Shuningdek, ular o'qish rejimida ma'lumot olish uchun foydalaniladigan va mikrosxemalardagi barcha xotira hujayralarining ichki regeneratsiyasi uchun ishlatiladigan xotira hujayralarining avtomatik regeneratsiyasidan foydalanishni boshladilar. Ammo buning uchun har bir xotira chipiga ichki kontrollerni o'rnatib, unga yuqoridagi va boshqa funktsiyalarni yuklab olish kerak edi va tashqi boshqaruvchini boshqa muhim vazifalar uchun bo'shatdi.
Saqlash uchun mo'ljallangan saqlash moslamalarining o'ziga xos arxitekturasiga kelsak,
yozish va o'qish ma'lumotlari quyidagilarni e'tiborga olishlari mumkin.
Kompyuter texnologiyalari rivojlanishining dastlabki bosqichida elektron naychalarni saqlash elementlari sifatida foydalanish, keyinchalik ferrit yadrolari va natijada yarimo'tkazgichli texnologiyalarga o'tish, bunda dala effektli tranzistorning drenajining sig'im xususiyatlari ishlatila boshlandi. Ushbu o'zgarishlarning asosiy maqsadi quyidagi vazifalarni hal qilish edi va shunday bo'lib qoladi:
Xotirani kengaytirish
Ishlash samaradorligini oshirish
Saqlash ishonchliligini oshirish va xotira quvvatini kamaytirish.
Agar 32 bitli adresli kirish avtobusi bo'lgan zamonaviy 32-bitli kompyuterlarning tizim xotirasi sig'imini 4 Gbaytga oshirishga imkon bersa, ferrit xotiraga ega 2 va 3-avlod kompyuterlari uchun o'sha paytdagi superkompyuterlarning sig'imi atigi o'nlab va yuzlab kilobaytlarda hisoblangan. Bir vaqtning o'zida mahalliy superkompyuterning BESM6 xotirasi taxminan 768 kbni tashkil etdi, hatto megabayt chegarasiga ham yetib bormadi.
Operativ xotira hajmining ko'tarilishi xotira qurilmalarini ishlab chiqarishda yarimo'tkazgichli texnologiyalarni joriy etilishi bilan ro'y berdi, buning natijasida RAM hajmi megabayt chegarasidan oshdi. Bunday xotiraga ega bo'lgan birinchi kompyuterlardan biri 1961 yilda IBM7030 edi. Uning xotirasi hajmi 2MB edi. Ushbu mashinadagi dizayn ishlanmalari keyinchalik mashxur IBM360 va IBM370 seriyalarida ishlatilgan. 24-bitli manzilga ulanadigan xotira kirish avtobuslari ushbu xotira hajmini 16 MGBT gacha oshirish imkoniyatiga ega edi. ESA370, IBM4381 kabi kompyuterlarda 32 bitli avtobusning ishga tushirilishi bilan xotira, gigabayt chegarasini kesib o'tmagan bo'lsa-da, lekin 16 dan 64 megabaytgacha o'sishga qodir edi.
Z9BC kabi zamonaviy Z-arxitektura asosiy kadrlari 64 Gb gacha, 64 bitli avtobus bilan, EVZ10 esa hatto 1,5TRBTgacha kengaytirilishi mumkin.
Bizning Evropa kompyuterlarimizga kelsak, Evropa Ittifoqi mashinalarida RAM miqdori 3-seriya (EC1046, EC1066) 8Mbt ga etdi, ushbu bosqichda o'zlarining tarixiy rivojlanish yo'llarini yakunlashga mo'ljallangan mashinalar.
Raketalarga qarshi mudofaa tizimining mudofaa maqsadlari uchun mo'ljallangan superkompyuterlar sinfiga kiruvchi kompyuterlar ham bor edi, ular katta xotira hajmiga ega edi, masalan, M13 loyihasi (ushbu superkompyuterning RAM hajmi 34 mb gacha kengayish imkoniga ega edi).
Xotirani jismoniy tashkillashtirishning yana bir asosiy xususiyatlaridan biri bu ma'lumotlarni to'plash vaqti bo'lib, magnit yadrolari xotirasiga ega ikkinchi avlod kompyuterlari uchun 10-12 mksni tashkil etadi. Va faqat yarimo'tkazgichli xotira kiritilishi bilan ma'lumotni olish vaqti kattalik tartibiga qisqartirildi va 1,5 dan 0,5 mikrosekgacha bo'ldi.
O'zining tabiati va ma'lumotlarni saqlash usuli bilan dinamik xotira, statikka qaraganda sodda tuzilishga qaramay, eng inertial, ya'ni kompyuter tizimining eng sekin qismi va hatto unga kirish siklining sezilarli darajada qisqarishi hisoblanadi.
Bu kompyuter tizimlarida ko'p darajali xotirani yaratish uchun sababdir, bu ro'yxatga olish fayllari va turli xil miqdordagi yuqori tezlikda ishlaydigan bufer xotirani o'z ichiga oladi, statik (trigger) saqlash elementlarida bajariladi.
Hisoblash tizimlarining zamonaviy arxitekturasi virtual xotira kabi tushunchalar bilan ishlaydi, ularning xaritasi jismoniy xotirada operatsion va tashqi xotira kombinatsiyasi bilan ifodalanadi. Bu Manchester universitetida ingliz olimlari tomonidan ilgari surilgan g'oya natijasida mumkin bo'ldi, uning mohiyati adres maydoni maydoni tushunchalarini tizimdagi RAM manzilining o'ziga xos o'lchamidan ajratish edi. Shunday qilib, tizimning manzil maydoni RAM hajmidan mustaqil bo'lib, dasturchiga virtual xotira sifatida foydalanish imkoniyatiga ega bo'ldi, bu unga operativ xotiraning hajmini cheklamasdan dasturlarni yozish uchun keng imkoniyat yaratdi.
Ushbu g'oyani amalga oshirish uchun mantiqiy manzillar va virtual xotiraning butun adres maydonini ajratishga kirishadigan ma'lum teng o'lchamdagi xotira maydonlarini ifodalovchi virtual sahifalar kabi tushunchalarni kiritish kerak edi.
Haqiqiy xotira fizik sahifalarga kira boshladi, ularning o'lchamlari virtual sahifalar hajmiga to'g'ri keldi.
Aslida, virtual xotiraning tarkibi RAMda bo'lishi mumkin, keyin virtual sahifa operatsion tizimning ixtiyori bilan ruxsat berilgan har qanday operativ xotirada yoki aksincha, tashqi xotirada jismoniy holat maqomiga ega bo'ladi.
Shuning uchun, xotirani virtualizatsiya qilish mexanizmini amalga oshiradigan hisoblash tizimida virtual sahifalar tarkibini tashqi xotiradan RAMga va aksincha dasturni bajarish paytida ko'chirish mexanizmi bo'lishi kerak. Bunday mexanizm fayl tizimi deb nomlanadi va dinamik yo'naltirish mexanizmi, masalan, IBM tizimlarida yoki INTEL protsessorlarida sahifani o'zgartirish mexanizmi virtual manzillarni jismoniy manzillarga tarjima qiladi.
Mantiqiy manzillar tushunchasi kiritildi. Protsessorda ko'rsatmalarni bajarish paytida hosil bo'lgan buyruqlar va ma'lumotlarning manzillari mantiqiy maqomga ega bo'ldi, chunki ular endi xotiraning jismoniy manzillariga mos kelmaydi va faqat dastur kodining manzil maydonida joylashgan joyni ko'rsatadi.
Bundan tashqari, tizim mantiqiy manzillarni jismoniy manzillarga aylantirish uchun o'z sxemalariga ega bo'lgan bir nechta virtual manzillar maydonlarining mavjudligini ta'minladi.
Virtual xotira - bu operatsion tizim darajasida ko'rib chiqiladigan tizim ob'ekti, shuning uchun uning tuzilishi xotirani mantiqiy tashkil etish nuqtai nazaridan tavsiflash uchun ko'proq mos keladi.
Xotiraning mantiqiy tashkil etilishini tavsiflashdan oldin shuni ta'kidlash kerakki, jismoniy xotira bayt bilan muomalada bo'ladi, ya'ni minimal adreslanadigan birlik baytdir, shuning uchun mantiqiy xotiraning tashkiliy tuzilish elementlarining barcha o'lchamlari ulardagi baytlarning butun soniga ko'p bo'lishi kerak.
Dastur raqam yoki ramziy shaklda ifodalangan operator, operandlar, konstantalar, o'zgaruvchilar kabi tushunchalar bilan ishlaydi. Dastur kodini tarjima qilish natijasida ular dastur bajarilganda RAMga joylashtirilgan baytlarning butun sonidan tashkil topgan ikkilik kodlarni ifodalaydi. Baytlar so'zlarga, so'zlar satrlarga, satrlar sahifalarga, sahifalar segmentlarga bo'linadi.
Xotirani mantiqiy tashkil etish uchun xotirada baytlarning tartibi muhimdir. Xotirada ketma-ket chapdan o'ngga baytlarni ajratish odatiy hol bo'lib, ularning manzillari qiymatlarini bittaga ko'paytiradi.
Virtual va jismoniy xotiralarning sahifalar va segmentlarga bo'linishi nafaqat virtual sahifalarni jismoniy xotiraga xaritalashni, balki har bir segment va har bir sahifaga mos keladigan deskriptorlar deb ataladigan dasturlar qismida ularning maqsadlari va kirish huquqlarini hisobga olgan holda chiziqli makon va jismoniy xotiraning sohalarini tavsiflash imkonini beradi. . Shunday qilib, operativ xotiraga kirishda xavfsizlik mexanizmi amalga oshiriladi.
Va shuning uchun operatsion tizim darajasida virtual va jismoniy xotirani sahifalar va segmentlarga bo'lish mexanizmi mavjud bo'lib, u tizimning mantiqiy xotirasi tarkibini shakllantirish uchun vosita sifatida foydalanadi. Ammo operativ xotirada faqat fizik manzilgohlar ishlatiladigan joylar mavjud. Ushbu sohalarda operatsion tizim odatda mantiqiy xotira manzillarini jismoniy manzillarga tarjima qilish uchun ishlatiladigan jadvallarni joylashtiradi. A. shuningdek, faqat unga kirish ruxsat berilgan har xil rasmiy ma'lumotlarga. Ushbu maydonlar doimiy ravishda tarqatiladigan xotira joylari deb ataladi, ularning o'lchamlari tizim va operatsion tizimlarning arxitekturasi bilan belgilanadi.
Mantiqiy xotiraning tekis va ko'p o'lchovli modeli mavjud. Yassi xotira modeli kontseptsiyasi fon Neumann tomonidan taklif qilingan tasodifiy kirish xotirasini tashkil qilish bilan bog'liq, ya'ni ko'rsatmalar va ma'lumotlarni jismoniy xotiraning umumiy maydoniga joylashtirish bilan, dasturchiga ularni joylashtirish tartibini boshqarish huquqini beradi. Bunday model muayyan qiyinchiliklarni keltirib chiqardi va dasturni yozishda dasturchidan qo'shimcha kuch talab qildi. Yassi xotira modelini takomillashtirishning birinchi urinishi buyruqlar va ma'lumotlar uchun alohida joylarga segmentatsiya mexanizmini joriy etish edi. Ushbu model yassi himoyalangan deb nomlana boshlandi, bunda buyruqlar va ma'lumotlar zonalari hali ham jismoniy xotiraning o'lchamida bo'lishi mumkin edi, lekin kirish joylari deskrektorlarda segmentlarning boshlang'ich manzillari orqali ko'rsatilgan va hajmi ularda ko'rsatilgan chegara qiymati bilan cheklangan. . Shunday qilib, xotirada eng oddiy himoya mexanizmi amalga oshirildi. Ushbu texnologiya Garvard arxitekturasidagi xotira modeli texnologiyasiga o'xshaydi, ammo ko'rsatmalar va ma'lumotlar uchun umumiy jismoniy xotiraga qo'llaniladi. Keyinchalik yassi ko'p segmentli xotira modeli taqdim etildi, bu erda nafaqat buyruqlar va ma'lumotlarni saqlash uchun mo'ljallangan, balki himoya mexanizmi tomonidan boshqarila boshlangan boshqa sohalar ham mavjud.
Xotira modeli virtual xotiraning kiritilishi bilan ko'p qirrali bo'lib qoldi, bunda mantiqiy manzillar bir necha qismlarga bo'linishni boshladilar, ularning har biri stol konvertatsiyasidan o'tdi. Transformatsiyada ishtirok etadigan mexanizmlar soni mantiqiy xotiraning ko'p o'lchovliligini aniqlaydi. Manzillarni varaqlashda xotira bir o'lchovli bo'lib qoladi, bunda eng oddiy versiyada mantiqiy manzilning yuqori qismlaridan iborat guruh o'zgartiriladi. Guruhdagi ushbu bitlarning soni, aniqrog'i, ushbu sonlar bilan aniqlanadigan 2 daraja, virtual xotiradagi virtual sahifalar sonini aniqlaydi. Mantiqiy manzilning pastki bitlari o'zgartirilmaydi va ofsetni, ya'ni fizik sahifadagi ma'lumotlarning joylashishini aniqlaydi. Virtual xotiraning sahifalari soni juda katta bo'lgani sababli, mantiqiy manzilning eng yuqori bitlari bir necha guruhlarga bo'lingan. Natijada, bitta sahifa jadvalining o'rniga, konversiya mexanizmi kichik jadvallarning bir nechta to'plamidan foydalanadi. To'plamga kiritilgan jadvallar soni, shuningdek, mantiqiy manzilning pastki manzillari guruhidan keyingi guruhdagi adres bitlari soni bilan aniqlanadigan darajaga qarab belgilanadi va to'plamlarning soni sahifa katalogidagi satrlar soniga teng bo'ladi, ularning hajmi katalog hajmini belgilaydigan guruhdagi bitlarning soniga bog'liq bo'ladi. . Yuqorida tavsiflangan struktura mantiqiy manzilning eng qadimgi bitlarini uch qismga bo'lganda xarakterli bo'ladi.
Mantiqiy manzillarni jismoniy manzillarga tarjima qilish uchun qanday jihoz kerakligini ko'rib chiqing.
Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, mantiqiy manzilning eng kichik guruhi o'zgartirilmaydi va ofsetni, ya'ni manzil sahifasining birinchi bayti joylashgan manzilni anglatadi.
Mantiqiy manzilni jismoniy manzilga aylantirishning bosqichma-bosqich mexanizmi (mantiqiy manzilning eski qismi ikki qismga bo'lganda) quyidagi tartibda ro'y beradi:
1. Qatorga sahifalar katalogi sifatida talqin qilingan mantiqiy manzilning yuqori darajadagi guruhi tomonidan belgilangan jadvalga kirish mumkin. Jadval RAMda joylashgan. Qator manzili asosiy manzilni qo'shish orqali hosil bo'ladi, bu jadvalning xotirada joylashgan joyining boshlanishini bildiradi va protsessorda tizim registriga oldindan yuklanadi. Ikkinchi atama yuqori buyurtma guruhidagi koddir.
2. Natijada, katalog satri xotiradan o'qiladi, unda atributlar va ushbu katalog satriga mos keladigan sahifa jadvalining asosiy manzili mavjud.
3. Sahifalar jadvalidagi qatorga xotiradan kirish aylanishi tashkil qilingan. Katalogdagi manzillar katalog satridan o'qilgan bazaviy manzilni va katalogdagi raqamlar guruhidan keyin guruhdagi raqamlarning qiymatiga mos keladigan kodni qo'shish orqali hosil bo'ladi.
4. Sahifalar jadvalidagi o'qish satrida xotirada joylashgan jismoniy sahifaning bazaviy manzili joylashgan bo'lib, u adapterga o'tadi, bu erda jismoniy sahifaning maydonida ofsetni ifodalovchi mantiqiy manzilning eng kam ahamiyatli bitlari guruhining qiymatini qo'shib, xotiraga kirishning fizik manzili hosil bo'ladi.
Yuqoridagi algoritmga muvofiq, mantiqiy manzillarni jismoniy manzillarga aylantirish uchun apparat ta'minoti:
1. Jadvallarni saqlash uchun ajratilgan operativ xotira maydoni. Ushbu maydon transformatsiya mexanizmi ishlamaydigan bo'shliqdir.
2. Dastlabki jadvalni xotirada joylashganligini ko'rsatuvchi asosiy manzilni saqlash uchun protsessorda boshqaruv registrlarining mavjudligi.
3. Adif arifmetikasini qo'shish operatsiyalarini bajaruvchi.
4. Bufer registrlari yoki kesh xotirasi mavjudligi mantiqiy manzillarni jismoniy holatga o'tkazish bosqichlarining natijalarini saqlash uchun to'liq assotsiativdir.
Tizimning ishlashini oshirish uchun eng yangi uskuna kerak, chunki har safar xotira bir xil jismoniy sahifada joylashganida, uning koordinatalari unga birinchi kirish paytida hisoblangan har safar to'liq konversiya aylanishini amalga oshirishning hojati yo'q.
Mantiqiy manzillarni o'zgartirganda qo'shimcha segmentatsiya mexanizmining kiritilishi xotira modelini ikki o'lchovli qiladi. Segmentatsiya mexanizmi virtual xotiraning chiziqli adres maydonini hosil qiladi, bu konversiya natijasida dastur kodlari va ma'lumotlar joylashtirilgan segmentlardan iborat bo'lib, shu tariqa mantiqiy xotiraning bir o'lchamini aniqlaydi, ikkinchi o'lcham esa xotirani virtual sahifalar to'plami sifatida ifodalovchi sahifani o'zgartirish mexanizmini belgilaydi.
Shuni ta'kidlash kerakki, kompyuter tizimlarida virtual xotira segmentatsiyasi mafkurasi boshqacha talqin qilinadi. Masalan, mantiqiy manzillarni IBM tizimidagi jismoniy manzillarga aylantirish jarayonida segmentatsiya bosqichi (IBM360, IBM370, Z server arxitekturasi) sahifani o'zgartirish bosqichidan ajralib turadi, chunki sahifani o'zgartirish bosqichidan oldingi bosqich bo'lib, shuningdek INTEL tizimlarida u mantiqiy manzillar manzillarining faqat oldingi qismi tomonidan boshqariladi, manzilning o'rta qismi va eng kichik manzillar guruhi faqat peydjing bilan shug'ullanadi. Shunday qilib, bosqichlar o'rtasida ajralmas mantiqiy aloqani amalga oshirish, avval virtual xotirani segmentlarga - katta maydonlarga, so'ngra segmentlarni sahifalarga bo'lish.
Zarchitecture serverlarida virtual adres hajmi 64 bitgacha oshirildi, bu esa 16 ekzabaytgacha virtual xotiraga murojaat qilish imkonini berdi. Ushbu serverlardagi mantiqiy xotiraning ko'p qirrali ekanligiga kelsak, ularning apparatlari bir-biridan mustaqil ravishda 4 tagacha virtual manzil manzillarini olish imkoniyatini yaratadi, ularning ikkitasida bo'sh joylar soni 64K va qolgan ikkitasida 16tadan har bir tur uchun o'z stol konvertatsiyalari mavjud. virtual mantiqiy shakllanishlarni yaratish uchun foydalaniladi - har biri o'z operatsion tizimiga ega bo'lgan mantiqiy bo'limlar. O'zining virtual xotirasi turiga bog'liq bo'lgan virtual manzillarning har bir turi o'z jadvallari to'plamlari bilan bir xil o'zgartirish mexanizmiga ega. Shuning uchun yuqorida muhokama qilingan tushuncha va atamalarga rioya qilgan holda ushbu serverlardagi xotirani besh bosqichli transformatsiyaga ega bo'lgan 4 turdagi bir o'lchovli virtual xotiralarning to'plami deb hisoblash mumkin: sahifa, segment, region1, region2, region3.