Шпаргалка по предмету "Основы информатики"

Специальная - постоянная, Fiash, видеопамять и тд.

 К этому  типу памяти относятся память, реализованная на ОЗУ, кэш-память.

Статическая память (англ. static storage) — энергозависимая память, которой для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;

Статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный или троичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние сигнала без постоянной перезаписи, необходимой в динамической памяти (DRAM). Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может только пока есть питание, то есть SRAM остается энергозависимым типом памяти. Произвольный доступ (RAM — random access memory) — возможность выбирать для записи/чтения любой из битов (тритов) (чаще байтов (трайтов), зависит от особенностей конструкции), в отличие от памяти с последовательным доступом (SAM — sequental access memory).

Динамическая память (англ. dynamic storage) — энергозависимая память, в которой информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить её периодическое восстановление (регенерацию).

Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.

DRAM (dynamic random access memory) — тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом (RAM), также запоминающее устройство, наиболее широко используемое в качестве ОЗУ современных компьютеров.

Физически память DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

Как запоминающее устройство, DRAM-память представляет собой модуль различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъём, необходимый для подключения модуля к материнской плате.

Внутренняя память

Под внутренней памятью понимают все виды запоминающих устройств, расположенные на материнской плате. К ним относятся оперативная память, постоянная память и энергонезависимая память.

Всякая память сохраняющая данные при отключении внешнего источника питания может считаться энергонезависимой - NonVolatile Memory, однако этот термин больше утвердился за статической оперативной памятью:

с встроенной в микросхему литиевой батарейкой большой емкости .

с дополнительной EEPROM на том же кристалле, причем обмен данными между SRAM и EEPROM производится либо программно либо автоматически при падении/восстановлении  напряжения.

Внутренняя энергонезависимая память микроконтроллера (EEPROM) служит для хранения различных данных, определяющих функционирование системы. Записанные в такую память данные сохраняются даже при полном снятии напряжения питания. Как правило, в энергонезависимой памяти хранятся частотные настройки тюнеров, положение всех регулировок на момент выключения аппарата (для того чтобы аппарат даже при отключении его от бортовой сети питания включился именно в то состояние, в котором был отключен). Там могут храниться начало и конец диапазонов регулирования тембров и общего усиления, а также различные другие настроечные данные "привязки к железу". Ресурс у энергонезависимой памяти на современном этапе развития электроники всегда ограничен предельным количеством циклов записи. Износ EEPROM происходит на молекулярном уровне при выполнении процедуры "запись в энергонезависимую память" (Write EEPROM cycle)" и для микроконтроллеров серии MC68HC05 составляет не менее 10000 циклов. Реальное значение числа возможных циклов записи данных в EEPROM может превышать эту гарантированную фирмой Motorola цифру в несколько раз, но ресурс EEPROM все равно конечен.

Энергонезависимая память CMOS

Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами BIOS, но такими средствами невозможно обеспечить роботу со всеми возможными устройствами (в связи с их огромным разнообразием и наличием большого количества разных параметров). Но для своей работы программы BIOS требуют всю информацию о текущей конфигурации системы. По очевидной причине эту информацию нельзя сохранять ни в оперативной памяти, ни в постоянной. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной памяти она отличается тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. В этой памяти сохраняются данные про гибкие и жесткие диски, процессоры и т.д. Тот факт, что компьютер четко отслеживает дату и время, также связанн с тем, что эта информация постоянно хранится (и обновляется) в памяти CMOS. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19.Аппаратно-программные  методы ускорения обработки данных. Распараллеливание операции

Два различных типа архитектуры компьютеров предоставляют по крайней мере два разных способа организации параллельных вычислений: векторизация; распараллеливание.

Векторизация представляет собой тип распараллеливания по данным, т.е. одна параллельная инструкция воздействует на разные потоки данных. Распараллеливание в общем случае предоставляет более широкие возможности: наряду с распараллеливанием по данным, возможно распараллеливание по процессам – различные потоки данных участвуют в вычислительном процессе под управлением различных потоков команд.

Векторизация Данный метод распараллеливания применяется только на векторно-конвейерных машинах и имеет существенное ограничение – векторизации подлежат только циклы с заранее известным количеством итераций. Д. Кнутом (D.E.Knuth) было проанализировано большое количество программ на языке Fortran и было установлено, что в среднем циклы занимают менее 4% кода, но требуют на выполнение более 50% счетного времени. Таким образом кажущаяся ограниченность векторизации не является большим недостатком для алгоритмов, содержащих большое количество векторизуемых циклов. Мы не будем подробно освещать теорию векторизации (оптимизацию программного кода для эффективного использования векторного процессора). Перечислим лишь необходимые требования к циклам, подлежащим векторизации:  цикл должен быть самым внутренним; не допустимы ветвления внутри тела цикла; не допустимы вызовы внешних функций и процедур из тела цикла; не должно быть рекурсии элементов векторов или массивов в теле цикла.

Распараллеливание

Параллелизм, используемый в микропроцессорных архитектурах на протяжении более 20 последних лет, наряду с ростом тактовых частот, являлся одним их важнейших факторов повышения производительности вычислительных систем. В последнее время в связи с замедлением роста тактовых частот параллелизм становится определяющим фактором [1], поскольку оборудование в микропроцессорах продолжает удваиваться каждые 18 месяцев в точном соответствии с предсказаниями Гордона Мура.

Для повышения производительности используется параллелизм на разных уровнях: параллелизм операций, векторный параллелизм, параллелизм потоков управления, параллелизм задач. Все эти виды параллелизма применяются в современных микропроцессорных вычислительных системах. Параллелизм операций поддерживается в суперскалярных архитектурах и в архитектурах с явным параллелизмом операций. Векторный параллелизм поддерживается большинством современных микропроцессорных систем за счет введения специальных операций. Параллелизм потоков управления поддерживается в многоядерных микропроцессорных архитектурах и в многопроцессорных вычислительных комплексах, работающих на общей памяти. Параллелизм задач, взаимодействующих через обмен сообщениями, поддерживается в кластерных системах и многомашинных комплексах. Методы распараллеливания можно условно разделить на следующие: директивами оптимизирующего компилятора; специальными директивами, расширяющими возможности языка к параллелизации; параллельные языки программирования; коммуникационные средства, или средства межпроцессорного интерфейса.

Разумеется, список возможных средств не исчерпывается перечисленными позициями, однако, по-видимому, вышеупомянутые методы имеют самое широкое распространение.

Распараллеливание директивами компилятора является самым простым, «автоматическим» средством, которое может эффективно применяться для выборочного класса задач, однако обладает следующими недостатками: непереносимость с одной системы на другую , или даже при смене компилятора с одного на другой; поскольку вычислительная эффективность напрямую зависит от организации алгоритма (см. выше), то для хорошего результата все равно требуется «участие» программиста при написании параллельного кода; достаточно узкий диапазон возможностей, предоставляемых компилятором для распараллеливания.

Введение специальных директив, поддерживающих средства параллельной обработки, в стандартные языки программирования является перспективным направлением. Пример такого развития – HPF (High Performance Fortran) представляющий собой параллельное расширение Fortran'а с помощью оформленных с виде комментариев директив параллельной обработки. Можно отметить следующие преимущества такого подхода: переносимость с одной системы на другую исходного кода, требуется лишь наличие HPF-компилятора; совместимость с последовательной версией программы, поскольку директивы HPF, воспринимаются обычным Fortran-компилятором как комментарии, таким образом отладку последовательного можно проводить на машине без HPF-компилятора; наглядность исходного текста программы, поскольку он не перегружен «избыточной» коммуникационной информацией, как например в MPI; простота освоения пользователем, который должен только указать компилятору блоки для параллельного исполнения, а не конкретизировать какие данные и куда пересылать.

Большинство современных микропроцессорных архитектур используют параллелизм операций для повышения производительности, т.к. этот вид параллелизма присутствует во всех без исключения классах программ. Самым распространенным является на сегодняшний день суперскалярный принцип распараллеливания операций. В архитектурах, использующих этот принцип, аппаратно распараллеливаются последовательные коды, которые получаются после компиляции программ. В результате аппаратуре приходится перекодировать сложно закодированные операции переменной длины в более простые операции, анализировать зависимости между этими операциями, чтобы обнаружить параллелизм, переименовывать регистры, чтобы избавиться от ложных зависимостей, и, наконец, планировать последовательные операции на параллельные устройства исполнения. Эта работа требует значительных аппаратных и энергетических затрат и не позволяет суперскалярным архитектурам исполнять более 4-х операций за такт из-за сложностей аппаратного распараллеливания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20. Аппаратно-программные  методы обработки данных. Кэширование  памятью

Кэширование памяти

Кэш или кеш (англ. cache, от фр. cacher — прятать; произносится [kæʃ] — кэш) — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы. Прямой доступ к данным, хранящимся в кэше, программным путем невозможен.

Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.

Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.

Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш. Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных. Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.

При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.