Виртуальная память

            Выше были рассмотрены способы организации сверхоперативной памяти и ее взаимодействия с оперативной. Не менее, а порой и более важной проблемой является организация взаимодействия в паре ОЗУ — ВЗУ.

            Известно, что в современных ЭВМ (кроме простейших) реализовано динамическое распределение памяти между несколькими задачами, существующими в ЭВМ в процессе решения. Даже для однозадачных конфигураций проблема динамического распределения памяти не теряет актуальности, т. к. в памяти, помимо задачи пользователя, всегда присутствует операционная система или ее фрагмент.

            Наличие динамического распределения памяти предполагает, что программа . компилируется в т. н. "логических" адресах, а в процессе работы происходит автоматическое преобразование логических адресов в физические. Наибольшее распространение в ЭВМ получил метод динамического распределения памяти, называемый страничной организацией виртуальной памяти.

            При использовании этого метода вся память ЭВМ (ОЗУ и ВЗУ) рассматривается как единая виртуальная память. Адрес в этой памяти называется виртуальным или логическим. Вся виртуальная память делится на фрагменты одинакового размера, называемые виртуальными страницами. Размер страницы обычно составляет 0,5 — 4 Кбайт. Виртуальный адрес представляется состоящим из двух частей — номера страницы и номера слова на странице (смещения).

            Физическая память ЭВМ (ОЗУ и ВЗУ) так же делится на страницы, причем размер физической страницы выбирается равным размеру виртуальной. Таким образом, одна физическая страница может хранить одну виртуальную, причем порядок следования виртуальных страниц в программе совсем не обязательно сохранять на физических страницах. Достаточно лишь установить однозначное соответствие между номерами виртуальных и физических страниц.

            Соответствие между номерами виртуальных и физических страниц устанавливается с помощью специальной страничной таблицы (СТ), которую поддерживает операционная система. Размер физической страницы равен размеру виртуальной, поэтому преобразования смещений на странице не производятся.

            Поскольку размер СТ достаточно велик, она хранится целиком в ОЗУ и модифицируется операционной системой всякий раз, когда в распределении памяти происходят изменения.

            Для увеличения скорости обращения к памяти активная часть СТ обычно хранится в специальной быстродействующей памяти, организованной, как правило, по ассоциативному принципу. При этом в поле признаков АЗУ СТ хранятся виртуальные адреса страниц (иногда вместе с номером программы.— в мультипрограммных системах), а в информационной части — соответствующие им номера физических страниц.

            Если в результате преобразования виртуального адреса в физический оказывается, что требуемая физическая страница располагается в ВЗУ, то выполнение программы становится невозможным, пока не произойдет "подкачка" требуемой страницы в ОЗУ. Такая ситуация называется страничным сбоем и должна формировать внутреннее прерывание, по которому запускается подпрограмма чтения страницы из ВЗУ в ОЗУ.

            При этом возникает серьезная проблема поиска той страницы, которую можно удалить из ОЗУ, чтобы на освободившееся место записать требуемую страницу. Серьезность проблемы обусловлена тем, что неудачный выбор удаляемой страницы (в ближайшее время она вновь понадобится) связан со значительной потерей времени на передачу страниц между ОЗУ и ВЗУ.

Сегментная организация памяти

            До сих пор предполагалось, что виртуальная память, которой располагает программист, представляет собой непрерывный массив с единой нумерацией слов. Однако при написании программы удобно располагать несколькими независимыми сегментами (кода, данных, подпрограмм, стека и др.), причем размеры сегментов, как правило, заранее не известны. В каждом сегменте слова нумеруются с нуля независимо от других сегментов. В этом случае виртуальный адрес представляется состоящим из трех частей: <номер ceгмента> <номер страницы> <номер слова>. В машине к виртуальному адресу может добавиться слева еще <номер задачи>. Таким образом, возникает определенная иерархия полей виртуального адреса, которой соответствует иерархия таблиц, с помощью которых виртуальный адрес переводится в физический. В конкретных системах может отсутствовать тот или иной элемент иерархии.

            Виртуальная память была первоначально реализована на "больших" ЭВМ, однако по мере развития микропроцессоров в них так же использовались идеи страничной, и сегментной организации памяти. 

Физическая организация памяти

Физически память делится на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память выполняется, чаще всего, в виде микросхем высокой степени интеграции. Внутренняя или основная память может быть двух типов: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM, Random Access Memory) или ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) и постоянное ЗУ (ПЗУ или ROM, Read Only Memory). В последнее время широкое распространение получила флэш (Flash)-память, имеющая особенности, как ОЗУ, так и ПЗУ. ОЗУ является энергозависимой памятью, поскольку вся содержащаяся в ней информация теряется при выключении питания и предназначена для временного хранения программ и данных. ПЗУ является энергонезависимой памятью, т.е. информация сохраняется и при выключении питания системы. ПЗУ предназначена для хранения управляющих работой ЭВМ стандартных программ (например, отвечающие за процедуру старта системы), констант, таблицы символов и т.д.

ПЗУ могут быть: масочными - запрограммированными на заводе изготовителе (ROM), однократно-программируемыми пользователем ППЗУ (PROM или OTP), многократно-программируемыми (репрограммируемыми) пользователем РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM) или с электрическим стиранием (EEPROM, Flash). Широкое распространение нашли также программируемые логические матрицы и устройства (PLM, PML, PLA, PAL, PLD, FPGA и т.д.) с большим выбором логических элементов и устройств на одном кристалле.

ОЗУ подразделяются на статическую память (SRAM), динамическую (DRAM, здесь для хранения информации необходима ее регенерация) и регистровую (RG).

В качестве оперативной памяти современные ЭВМ оснащаются модулями SIMM, DIMM, DDR и RIM, которые является динамической памятью. Указанные модули памяти представляют собой небольшие платы с установленными на ней совместимыми чипами SDRAM (Sychronous DRAM – это новая технология микросхем динамической памяти. Основное отличие данного типа памяти от остальных заключается в том, что все операции синхронизированы с тактовой частотой процессора, то есть память и CPU работают синхронно. Технология SDRAM позволяет сократить время, затрачиваемое на выполнение команд и передачу данных, за счет исключения циклов ожидания).

Модуль SIMM (Single In-line Memory Modyle) – 72-контактные модули, обычно оборудованные микросхемами памяти общей емкостью 8, 16 и 32 Мб.

Модуль DIMM (Dual In-line Memory Modyle) – 168-контактные модули памяти. DIMM обладают внутренней архитектурой, схожей  с 72-контактными модулями SIMM, но благодаря более широкой шине обеспечивают повышенную производительность подсистемы «ЦП – ОП».

Модуль DDR – имею аналогичную DIMM архитектуру, а двукратный выигрыш в быстродействии осуществляется за возможности передачи двух порций данных за один такт синхронизации – по фронту и спаду импульса.

Одной из наиболее быстродействующих является память RDRAM (Rambus RAM), разработанная американской компанией Rambus. Память RDRAM является 16-разрядной, тактируется частотой 400 МГц (результирующая частота за счет использования технологии DDR составляет 800 МГц) и достигает пиковой скорости передачи данных 1.6 Гбайт/с. Использование узкой шины данных и сверхвысокой частоты значительно повышают эффективность использования и загрузку канала, максимально освобождая протокол от временных задержек.

Внешняя память

Внешней называют память на магнитных (жесткие и гибкие диски), оптических носителях (CD-ROM) и т.п.

Кроме того существует и накопители на магнитной ленте, которые в настоящее время практически не используются и поэтому в данной главе не рассматриваются.

Дисковые накопители в зависимости от среды носителя и по применяемому методу записи (чтения) данных на (с) поверхность (и) могут подразделяться на магнитные, оптические и магнитооптические. 

Дисковая память

        Носителями информации являются поверхности гибких и жестких дисков, в качестве немагнитных основ которых используются соответственно майлар (как и в магнитных лентах) и алюминиевые (в ряде случаев стеклянные) круги (диски). Стеклянные диски являются менее критичными к температурным изменениям и позволяют увеличить плотность записи информации. В настоящее время наиболее широкое распространение получили диски с напыленным магнитным слоем, а точнее, с металлической пленкой (например, кобальт).

        Перед осуществлением записи на магнитный диск он должен быть специальным образом инициализирован – отформатирован. В результате форматирования на поверхности образуются концентрические окружности (синхронизирующие метки диска), называемые  дорожками (track). Количество дорожек зависит от типа диска.      Дорожки разбиваются на участки фиксированной длины, называемые секторами. Количество секторов на дорожке определяется типом и форматом диска, и они в основном одинаковы для всех дорожек. IBM PC-совместимые ПК могут работать с несколькими размерами секторов от 128 до 1024 байт. Стандартным сектором считается сектор из 512 байт. Данные любого размера (разрядности) размещаются в секторах с фиксированным размером, а дисковые операции записи и считывания производятся с целыми секторами.

         Дорожки и сектора нумеруются с нуля, начиная с внешнего края диска, при этом сектор с нулевым номером на каждой дорожке резервируется для системных целей. Диски имеют две стороны. Так как накопители на жестких дисках могут состоять из нескольких дисков (стопка), то совокупность всех дорожек, по одной на каждой стороне с одинаковыми номерами, образует цилиндр с номером соответствующей дорожки.

Память на гибких магнитных дисках

         Все НГМД, применяемые в PC, независимо от типа и размера имеют одинаковый интерфейс и унифицированные разъемы. Используемый в PC кабель-шлейф имеет перевернутый фрагмент из 7 проводов с номерами 10-16. Этот поворот позволяет подключать к контроллеру одним шлейфом до двух НГМД, причем адрес накопителя определяется его положением на шлейфе: для при­вода А: фрагмент перевернут, для В: – нет.

            Контроллер накопителей на гибких дисках FDC (Floppy Drive Controller) является всегда внешним по отношению к накопителю и обычно располагается на одной плате с контроллером или адаптером жестких дисков.

           Контроллер FDC XT поддерживает до четырех накопителей (FDD), хотя многие контроллеры имеют интерфейсные схемы только для одного шлейфа, то есть для двух накопителей. Эти контроллеры обеспечивают скорость передачи данных 250 и 300 Кбит/с.

           Контроллер FDC AT  поддерживает только два накопителя, но обеспечивает более высокую скорость 500 Кбит/с.

           Современные контроллеры обеспечиваю скорость 1000 Кбит/с. В карте ресурсов AT имеется место под два контроллера НГМД.

        Контроллеры вырабатывают запрос аппаратного прерывания IRQ6 (BIOS INT OEh) по окончании выполнения внутренних операций. Для обмена данными может использоваться канал DMA2.

Память на жестких магнитных дисках

        В отличие от накопителей на гибких дисках и их контроллеров, жестко стандартизованных и поэтому легко конфигурируемых, в PC применяется множество типов накопителей на жестких дисках, их интерфейсов и контроллеров, различающихся и способами конфигурирования.

         Накопители на жестких магнитных дисках НЖМД (HDD), появились с машинами PC/XT. Первые накопители имели интерфейс, являющийся расширением интерфейса НГМД, и подключались к специальной плате контроллера с модулем дополнительной BIOS, хранящей всю информацию об установленных жестких дисках. В машинах класса    AT поддержку стандартного контроллера включили в системную BIOS, параметры используемых жестких дисков стали хранить в памяти CMOS.

       Традиционные версии BIOS поддерживают до двух накопителей на жестких дисках и хранят их параметры в ячейках памяти CMOS. Расширенные версии BIOS для современных двухканальных контроллеров АТА поддерживают 4 жестких диска и хранят их параметры.

Для дисков ATA используются следующие режимы адресации:

·        CHS (целиндр-головка-сектор, традиционная трехмерная адресация данных на диске);

·        ECHS (расширенная трехмерная адресация);

·        LBA (линейная адресация данных на диске через логический адрес блока).

         Учитывая, что в соответствии с форматом вызова функций дискового сервиса, одно устройство может иметь 2¹⁰=1024 цилиндра, 2⁸=256 головок, 2⁶-1=63 сектора. Таким образом, при трехмерной адресации (CHS) и размере сектора в 512 байт максимальный объем диска не может превышать 7.875 Гбайт.

HDD_max(CHS) = [2¹⁰ * 2⁸ * (2⁶-1)] * 512 = 136 902 082 560 байт = 7.875Gb (~8,4ГБ)

       Все современные винчестеры используют LBA-адресацию. В режиме LBA параметры стандартных вызовов транслируются в т.н. линейный адрес, который вычисляется однозначно в «естественном» порядке счета секторов, т.е. сектору с нулевым лог. адресом соответствует первый сектор нулевой головки нулевого цилиндра. В этом случае номер каждого сектора представляет собой 28-битное число и максимальным диском для LBA будет:

HDD_max(LBA) = 2²⁸  * 512 = 137.4Gb (128ГБ)

        В тоже время большинство ПО использует CHS-адресацию. Поэтому с появлением HDD с LBA адресацией, чтоб не модернизировать имеющееся ПО, поступили следующим образом. BIOS в случае определения LBA-винчестера, переводит его параметры в CHS-версию и ОС работает с ним с CHS-винчестером. Т.е. 28-битное значение адреса LBA «раскладывается» следующим образом: 16 бит – цилиндр,  8 бит – сектор,  4 бита – головка. В результате, при получении запроса на работу с диском, BIOS переводит для контроллера это значение LBA-адрес :

В общем виде формулы вычисления такого адреса имеет вид:

LBA=(CYL*HDS*HD)*SPT+SEC-1

CYL    – номер цилиндра

HD      – номер головки

HDS   – количество головок

SPT    – количество секторов на треке

SEC    – номер сектора

         Для накопителей на жестких дисках используют интерфейсы ST-506/412, ESDI, АТА (неофициальное название IDE), SCSI. Накопители и контроллеры с интерфейсами ST-506/412 и ESDI практически не используются.

          В настоящее время широко используются перечисленные ниже интерфейсы.

         АТА-2 — расширенная спецификация ATA, включает 2 канала, 4 устройства, PIO Mode 3 (программированный ввод-вывод), DMA mode 1 , Block mode (пакетный обмен), объем диска до 8 Гбайт, поддержка LBA и CHS адресации.

        Fast АТА-2 разрешает использовать DMA Mode 2 (13,3 Мбайт/с), PIO Mode 4.

      ATA-3 — расширение, направленное на повышение надежности. Включает средства парольной защиты, улучшенного управления питанием, самотестиро­вания с предупреждением приближения отказа — SMART (Self Monitoring Ana­lysis and Report Technology).

       Ultra DMA/33 — версия ATA/IDE со скоростью обмена по шине 33 Мбайт/с. Устройства ATA IDE, E-IDE, АТА-2, Fast АТА-2, ATA-3 и Ultra DMA/33 электрически совместимы.

        Последние достижения в этой области – интерфейсы Ultra ATA/66, Ultra ATA/100 и Ultra ATA/133 позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью 66Мбай/сек,  100 Мбай/сек и 133 Мбай/сек соответственно.

       Возможно также подключение дисковых устройств и к параллельному порту, но через устройство, обеспечивающее один из вышеперечисленных интерфейсов. О дисках с интерфейсом USB говорить пока рано, а интерфейс FireWire является родственником SCSI-3.

Кэширование диска

         Время доступа к различным блокам информации на HDD является переменной величиной, складывающейся из временами подвода магнитной головки (МГ) к искомой дорожке, времени успокоения вибрации МГ и времени подвода искомого сектора под МГ. Кэш или буфер HDD необходим, чтоб по возможности сократить время доступа к диску за счет, во первых, предварительной выборки данных, и во-вторых, за счет организации поблочного