Архитектура современного ПК

Интересно отметить, что существуют технологии, объединяющие небольшую и быструю память с большой и медленной, что позволяет по разумной цене получить память и с высокой скоростью работы, и большой емкости. Память небольшого объема с высокой скоростью работы называется кэш-памятью (от французского слова “cacher” — "прятать" читается “кашэ”). Далее мы кратко опишем, как используется кэш-память и как она работает. Более подробное описание вы найдете в главе 4.

Основная идея кэш-памяти проста: в ней находятся слова, которые чаще всего используются. Если процессору нужно какое-нибудь слово, сначала он обращается к кэш-памяти. Только в том случае, если слова там нет, он обращается к основной памяти. Если значительная часть слов находится в кэш-памяти, среднее время доступа значительно сокращается.

Таким образом, успех или неудача зависит от того, какая часть слов находится в кэш-памяти. Давно известно, что программы не обращаются к памяти наугад. Если программе нужен доступ к адресу А, то скорее всего после этого ей понадобится доступ к адресу, расположенному поблизости от А. Практически все команды обычной программы (за исключением команд перехода и вызова процедур) вызываются из последовательных областей памяти. Кроме того, большую часть времени программа тратит на циклы, когда ограниченный набор команд выполняется снова и снова. Точно так же при манипулировании матрицами программа скорее всего будет обращаться много раз к одной и той же матрице, прежде чем перейдет к чему-либо другому.

Ситуация, когда при последовательных обращениях к памяти в течение некоторого промежутка времени используется только небольшая ее область, называется принципом локальности. Этот принцип составляет основу всех систем кэш-памяти. Идея состоит в том, что когда определенное слово вызывается из памяти, оно вместе с соседними словами переносится в кэш-память, что позволяет при очередном запросе быстро обращаться к следующим словам. Общее устройство процессора, кэш-памяти и основной памяти иллюстрирует рис. 2.13. Если слово считывается или записывается k раз, компьютеру требуется сделать 1 обращение к медленной основной памяти и k – 1 обращений к быстрой кэш-памяти. Чем больше k, тем выше общая производительность.  

Рис. 2.13. Кэш-память по логике вещей должна находиться между процессором и основной памятью. В действительности существует три возможных варианта размещения кэш-памяти

Мы можем сделать и более строгие вычисления. Пусть c — время доступа к кэш-памяти, m — время доступа к основной памяти и h — коэффициент кэш-попаданий (hit ratio), который показывает соотношение числа обращений к кэш памяти и общего числа всех обращений к памяти. В нашем примере h = (k – 1)/k. Некоторые авторы выделяют коэффициент кэш-промахов (miss ratio), равный 1 – h.

Таким образом, мы можем вычислить среднее время доступа:

Среднее время доступа = c + (1 – h) m.

Если h ® 1, то есть все обращения делаются только к кэш-памяти, то время доступа стремится к c. С другой стороны, если h ® 0, то есть каждый раз нужно обращаться к основной памяти, то время доступа стремится к c + m: сначала требуется время c для проверки кэш-памяти (в данном случае безуспешной), а затем — время m для обращения к основной памяти. В некоторых системах обращение к основной памяти может начинаться параллельно с исследованием кэш-памяти, чтобы в случае кэш-промаха цикл обращения к основной памяти уже начался. Однако эта стратегия требует способности останавливать процесс обращения к основной памяти в случае кэш-попадания, что усложняет разработку подобного компьютера.

Основная память и кэш-память делятся на блоки фиксированного размера с учетом принципа локальности. Блоки внутри кэш-памяти обычно называют строками кэша (cache lines). При кэш-промахе из основной памяти в кэш-память загружается вся строка, а не только необходимое слово. Например, если строка состоит из 64 байт, обращение к адресу 260 влечет за собой загрузку в кэш-память всей строки (байты с 256 по 319) на случай, если через некоторое время понадобятся другие слова из этой строки. Такой путь обращения к памяти более эффективен, чем вызов каждого слова по отдельности, потому что однократный вызов k слов происходит гораздо быстрее, чем вызов одного слова k раз.

Кэш-память очень важна для высокопроизводительных процессоров. Однако здесь возникает ряд вопросов. Первый вопрос — объем кэш-памяти. Чем больше объем, тем лучше работает память, но тем дороже она стоит. Второй вопрос — размер строки кэша. Кэш-память объемом 16 Кбайт можно разделить на 1024 строки по 16 байт, 2048 строк по 8 байт и т. д. Третий вопрос — механизм организации кэш-памяти, то есть то, как она определяет, какие именно слова находятся в ней в данный момент. Устройство кэш-памяти мы рассмотрим подробно в главе 4.

Четвертый вопрос — должны ли команды и данные находиться вместе в общей кэш-памяти. Проще всего разработать объединенную кэш-память, в которой будут храниться и данные и команды. В этом случае вызов команд и данных автоматически уравновешивается. Однако в настоящее время существует тенденция к использованию разделенной кэш-памяти ,когда команды хранятся в одной кэш-памяти, а данные — в другой. Такая архитектура также называется гарвардской (Harvard architecture), поскольку идея использования отдельной памяти для команд и отдельной памяти для данных впервые воплотилась в компьютере Marc III, который был создан Говардом Айкеном в Гарварде. Современные разработчики пошли по этому пути, поскольку сейчас широко распространены конвейерные архитектуры, а при конвейерной организации должна быть возможность одновременного доступа и к командам, и к данным (операндам). Разделенная кэш-память позволяет осуществлять параллельный доступ, а общая — нет. К тому же, поскольку команды обычно не меняются во время выполнения программы, содержание кэша команд не приходится записывать обратно в основную память.

Наконец, пятый вопрос — количество блоков кэш-памяти. В настоящее время очень часто кэш-память первого уровня располагается прямо на микросхеме процессора, кэш-память второго уровня — не на самой микросхеме, но в корпусе процессора, а кэш-память третьего уровня — еще дальше от процессора.

2.1.2.5 Сборка модулей памяти и их типы

Со времен появления полупроводниковой памяти и до начала 90-х годов все микросхемы памяти производились, продавались и устанавливались в виде отдельных микросхем. Эти микросхемы вмещали от 1 Кбит до 1 Мбит информации и выше. В первых персональных компьютерах часто оставлялись пустые разъемы, чтобы покупатель в случае необходимости мог вставить дополнительные микросхемы памяти.

В настоящее время распространен другой подход. Группа микросхем (обычно 8 или 16) монтируется на одну крошечную печатную плату и продается как один блок. Он называется SIMM (Single Inline Memory Module — модуль памяти с односторонним расположением) или DIMM (Dual Inline Memory Module — модуль памяти с двухсторонним расположением). На платах SIMM устанавливается один краевой разъем с 72 контактами; при этом скорость передачи данных за один тактовый цикл составляет 32 бит. Модули DIMM, как правило, снабжаются двумя краевыми разъемами (по одному на каждой стороне платы) с 84 контактами; таким образом, общее количество контактов достигает 168, а скорость передачи данных возрастает до 64 бит за цикл. Схема модуля SIMM изображена на рис. 

Рис. Модуль SIMM объемом 256 Мбайт. Модулем управляют две микросхемы

Обычно модули SIMM и DIMM содержат 8 микросхем по 256 Мбит (32 Мбайт) каждая. Таким образом, весь модуль вмещает 256 Мбайт информации. Во многих компьютерах предусматривается возможность установки четырех модулей; следовательно, при использовании модулей по 256 Мбайт общий объем памяти достигает 1 Гбайт.

В портативных компьютерах обычно используется модуль DIMM меньшего размера, который называется SO-DIMM (Small Outline DIMM). Модули SIMM и DIMM могут содержать бит четности или код исправления ошибок, однако, поскольку вероятность возникновения ошибок в модуле составляет примерно одну ошибку за 10 лет, в большинстве обычных компьютеров схемы обнаружения и исправления ошибок не применяются.

2.1.3 Внешняя память

Каков бы ни был объем основной памяти, ее все равно будет мало. Такова уж наша природа, мы всегда хотим сохранить в памяти компьютера больше данных, чем она может вместить. С развитием технологий людям приходят в голову такие вещи, которые раньше считались совершенно фантастическими. Например, можно вообразить, что Библиотека Конгресса решила представить в цифровой форме и продать полный текст со всеми иллюстрациями всех хранящихся в ней изданий (“Все человеческие знания всего за 99 долларов”). В среднем каждая книга содержит 1 Мбайт текста и 1 Мбайт упакованных иллюстраций. Таким образом, для размещения 50 млн книг понадобится 10 байт или 100 Тбайт памяти. Для хранения всех существующих художественных фильмов (50 000) необходимо примерно столько же места. Такой объем информации в настоящее время невозможно разместить в основной памяти и вряд ли удастся это сделать в будущем (по крайней мере, в ближайшие несколько десятилетий).

2.1.3.1 Иерархическая структура памяти

Иерархическая структура памяти иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения больших объемов данных (рис. 2.15). На самом верху иерархии находятся регистры процессора. Доступ к регистрам осуществляется быстрее всего. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до нескольких мегабайтов. Затем следует основная память, которая в настоящее время может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Затем идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивов.  

Рис. 2.15. Пятиуровневая организация памяти

По мере продвижения сверху вниз по иерархии меняются три параметра. Во-первых, увеличивается время доступа. Доступ к регистрам занимает несколько наносекунд, доступ к кэш-памяти — немного больше, доступ к основной памяти — несколько десятков наносекунд. Дальше идет большой разрыв: доступ к дискам занимает по крайней мере 10 мкс, а время доступа к магнитным лентам и оптическим дискам вообще может измеряться в секундах (поскольку эти накопители информации еще нужно поместить в соответствующее устройство).

Во-вторых, растет объем памяти. Регистры могут содержать в лучшем случае 128 байт, кэш-память — несколько мегабайтов, основная память — десятки тысяч мегабайтов, магнитные диски — от нескольких единиц до нескольких десятков гигабайтов. Магнитные ленты и оптические диски хранятся автономно от компьютера, поэтому их совокупный объем ограничивается только финансовыми возможностями владельца.

В третьих, увеличивается количество битов, которое вы получаете за 1 доллар. Стоимость объема основной памяти составляет несколько долларов за мегабайт, магнитных дисков — несколько центов за мегабайт, а магнитной ленты — несколько долларов за гигабайт или еще дешевле.

Регистры, кэш-память и основную память мы уже рассмотрели. В следующих разделах мы расскажем о магнитных дисках, а затем приступим к изучению оптических дисков. Накопители на магнитных лентах мы рассматривать не будем, поскольку используются они редко; к тому же о них практически нечего сказать.

2.1.3.2 Жёсткие диски

Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчестер», «винт», «хард», «харддиск» — устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Характеристики

Интерфейс (англ. interface) — совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.

Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором 3,5 дюйма) на ноябрь 2010 г. достигает 3000 ГБ (3 Терабайт). В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину (см.: двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГиБ.

Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension). Почти все современные (2001—2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма — под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ. random access time) — время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5).

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах.

Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.