Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Hardware Paměti Výpočetní technika II. 2 Obsah přednášky Parametry pamětí Hierarchie pamětí Vnitřní paměti Vnější paměti.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Hardware Paměti Výpočetní technika II. 2 Obsah přednášky Parametry pamětí Hierarchie pamětí Vnitřní paměti Vnější paměti."— Transkript prezentace:

1 Hardware Paměti Výpočetní technika II

2 2 Obsah přednášky Parametry pamětí Hierarchie pamětí Vnitřní paměti Vnější paměti

3 3 Parametry pamětí kapacita – množství dat, které lze do paměti uložit (2 10  kB, 2 20  MB, 2 30  GB, 2 40  TB, 2 50  PB) vybavovací doba – čas od vydání příkazu ke čtení z paměti do okamžiku, kdy je informace k dispozici rychlost toku dat – množství informací, které lze přečíst/zapsat za jednotku času cena paměti

4 4 Další parametry chybovost energetická závislost (zda musí být stále připojeny) destruktivita čtení (zda čtení zničí uložená data) způsob přístupu přímý sekvenční kombinovaný (index-sekvenční)

5 5 Typy pamětí podle materiálu a fyzikálních principů magnetické – založené na magnetických vlastnostech materiálu, informaci uchovává směr magnetizace optické – využívá optických vlastností materiálu, např. odraz světla polovodičové – využívá vlastností polovodičových tranzistorů, buď se realizují klopnými obvody (technologie TTL), nebo obnovováním elektrického náboje (CMOS) magnetooptické – pomocí světla (laser) se mění magnetické vlastnosti materiálu feritové – jako nosič jednoho bitu je používáno feritové jádro, magnetická orientace se překlápí proudovým impulsem (zastaralé)

6 6 Paměťová hierarchie paměť mikroinstrukcí – nejdražší, nejmenší kapacita, nejrychlejší registry procesoru vyrovnávací paměť (cache) CPU hlavní paměť (operační) vyrovnávací paměť vnější paměti (např. disková cache) vnější paměť (např. HDD) archivní paměť (CD, DVD, páska) roste kapacita, klesá cena a vybavovací doba

7 7 Druhy pamětí s přímým přístupem (RAM) Paměť pouze ke čtení: RAM ROM (ROM) Paměť ke čtení i zápisu: RAM RWM (RAM) statická SRAM (data uchována v klopných obvodech) dynamická DRAM – data uchována pomocí kondenzátoru (přítomnost nebo nepřítomnost náboje), ten se ale samovolně vybíjí  obsah DRAM je třeba periodicky obnovovat (interval několika milisekund) výhoda oproti SRAM: méně tranzistorů, tedy vyšší kapacita na stejně velkém čipu; použití: operační (hlavní) paměť počítače nevýhoda oproti SRAM: delší vybavovací doba

8 8 Paměti typu ROM ROM – paměť pouze ke čtení PROM (Programmable ROM) – lze jednou zapsat, pak už jen číst EPROM (Eraseable PROM) – lze vymazat ultrafialovým světlem EEPROM (Electrically EPROM) – lze vymazat elektrickým proudem Flash – obdoba EEPROM

9 9 Paměti EPROM – okénko pro výmaz UV světlem

10 10 Hlavní (operační) paměť Rozdělena na paměťové buňky, každá je přístupná svou adresou Jedna taková buňka má kapacitu 1 B a skládá se z 8 tzv. bitových buněk (angl. binary cell) Pro zpracování se paměťová místa skládají do počítačových slov (např. 32 bitů)

11 11 Hlavní paměť – adresace a výběr paměťové buňky Při čtení nebo zápisu do této paměti je třeba použít dekodér (demultiplexor), který na základě adresy nastaví logickou hodnotu 1 na jeden ze svých výstupů. Tím je určena paměťová buňka (skupina 8 binárních buněk).

12 12

13 13 Paměť RAM 4 × 3 (viz simulace ffalo.edu/educati on/system/mem ory/index.html) ffalo.edu/educati on/system/mem ory/index.html

14 14 Praktická realizace binární buňky (BC) v paměti SRAM — klopný obvod CPDQ(t+1) xQ(t)

15 15 Asociativní paměť Asociativní paměť – informace, kterou chceme vyhledat, se současně porovnává s obsahem všech paměťových míst. Je velmi rychlá a drahá, proto bývá velmi malá. Využití: paměť cache – rychlá vyrovnávací paměť – používá se, aby procesor nemusel čekat na data z pomalejší hlavní paměti.

16 16 Plně asociativní paměť

17 17 Plně asociativní paměť má své nevýhody: je nutné velké množství komparátorů vzhledem k tomu, že se musí v každém řádku tabulky uchovávat celý tag, musí mít cache paměť velkou kapacitu, do které se tyto tagy ukládají a kterou není možné využít k uchovávání dat z těchto důvodů se plně asociativní paměti prakticky nepoužívají

18 18 N-cestně asociativní paměť N-cestně asociativní paměti pracují tak, že zadaná adresa se rozdělí na dvě části: tag, adresa třídy. Adresa třídy je přivedena na n dekodérů (zařízení, které na základě vstupní hodnoty vybere jeden ze svých výstupů, na který umístí hodnotu log. 1, a na ostatní výstupy umístí hodnotu log. 0), které v každé tabulce vyberou jeden řádek. Z těchto řádků se potom vezmou příslušné tagy a komparátorem se porovnají se zadaným tagem. Podobně jako u plně asociativních cache pamětí pokud jeden z komparátorů signalizuje shodu, je informace v cache paměti přítomna. V opačném případě je nezbytné informaci hledat jinde. N-cestně asociativní paměti částečně eliminují nevýhody plně asociativních cache pamětí a v současnosti jsou nejpoužívanějším typem cache pamětí.

19 19 N-cestně asociativní paměť

20 20 Procesorová cache Vkládáme mezi procesor a pomalou hlavní paměť. Do paměti cache procesor ukládá používané paměťové bloky. Pak je hledá nejdříve zde, v případě neúspěchu teprve v pomalé paměti. Při přesunu nových bloků je třeba vyřešit, který blok z paměti vypustíme – LRU, LFU, FIFO, náhodný výběr Poznámka: LRU - least recently used LFU - least frequently used Poznámka: LRU - least recently used LFU - least frequently used

21 21 Procesorová cache – způsoby práce write-through: cache paměti, u kterých v případě zápisu procesoru do cache paměti dochází okamžitě i k zápisu do operační paměti. Procesor tak obsluhuje jen zápis a o další osud dat se stará cache paměť. write-back: cache paměti, u nichž jsou data zapisována do operační paměti až ve chvíli, kdy je to třeba, a nikoliv okamžitě při jejich změně. K zápisu dat do operační paměti tedy dochází např. v okamžiku, kdy je cache zcela zaplněna a je třeba do ní umístit nová data. Tento způsob práce cache paměti vykazuje oproti předešlému způsobu vyšší výkon. Problém: víceprocesorové systémy a aktuálnost dat v OP.

22 22 Virtuální paměť 1/3 Na počítači s malou hlavní pamětí se pro spuštěné aplikace vymodeluje mnohem větší paměť virtuální. Celou virtuální paměť zabezpečuje mechanismus virtuální paměti (VMM – Virtual Memory Management). Virtuální adresový prostor (VAP) používají aplikace. Spuštěný proces dostane např. od 32bitových Windows k dispozici 2 GB paměťového prostoru. ( brary/en- us/memory/base/virtual_address_space.asp ) brary/en- us/memory/base/virtual_address_space.asp

23 23 Virtuální paměť 2/3 Když nestačí operační paměť počítače, odkládají se dočasně nepotřebná data na pevný disk (na tzv. odkládací prostor) Operační paměť i odkládací prostor jsou rozděleny na úseky o pevné délce – stránky (např. 4 kB) Do hlavní paměti jsou přesunuty pouze ty stránky, které se využívají. V případě zaplnění se musí nějaká nepoužívaná stránka z hlavní paměti odložit zpět na disk (stránkování, swapování, paging)

24 24 Virtuální paměť 3/3 Při požadavcích programu na operace s pamětí provádí VMM převod virtuální adresy na reálnou (z virtuálního AP do hlavní paměti) Používání odkládacího prostoru na ve vnější paměti (na HDD) je při dostatku fyzické OP možno pro zrychlení práce PC vypnout. Avšak nebezpečí Out Of Memory.

25 25 Registry Velmi rychlé paměti s minimální kapacitou. Slouží pro práci procesoru. Registry dělíme podle významu uložené informace na instrukční datový adresový šířky registru na 16/32/… bitové

26 26 Používané typy hlavní paměti SDRAM – 64bitová sběrnice, frekvence 66–133 MHz. Dnes již zastaralé. DDRAM (DDR SDRAM) – Double Data Rate – používá obě hrany signálu sběrnice, takže efektivní frekv. 200 až 800 MHz. 64bitová sběrnice. RIMM (RDRAM, Rambus) – odlišná architektura, 16bitová sběrnice, frekv. sběrnice 300–400 MHz, opět přenos DDR (tzn. ef. frekv. 600–800 MHz). S touto pamětí pracovalo Pentium4 na starších deskách. Později Intel přešel na DDRAM.

27 27 Starší typy hlavní paměti

28 28 Typy hlavní paměti Používají se téměř výhradně paměti DDRAM označenípropustnostefektivní frekvencefrekvence sběrnice PC16001,6 GB/sDDR MHz PC21002,1DDR MHz PC27002,7DDR MHz PC30003,0DDR MHz PC32003,2DDR MHz PC35003,5DDR MHz PC37003,7DDR MHz PC40004,0DDR MHz PC43004,3DDR MHz PC44004,4DDR MHz PC ,2DDR MHz PC ,2DDR MHz PC ,3DDR MHz PC ,4DDR MHz PC ,5DDR MHz

29 29 Dual channel Některé zákl. desky (chipsety) obsahují dvojitou datovou část sběrnice FSB (2× 64 b) Je třeba použít 2 stejné paměťové moduly (např. 2× 512 MB namísto 1× 1 GB), práce s pamětí je pak rychlejší

30 30 Typy hlavní paměti RDRAM

31 31 Vnější paměti Informace jsou zde uloženy ve větších blocích (sektorech) než ve vnitřní paměti Výhody – nízké náklady, energetická nezávislost, nedestruktivní čtení, možnost přenosu média Nevýhody – dlouhá vybavovací doba

32 32 Diskové paměti Podle tvaru stopy Záznam v kruhových stopách Záznam ve spirále v jedné stopě Podle počtu sektorů Počet sektorů je ve všech stopách stejný. Disk se otáčí konstantní úhlovou rychlostí – CAV (Constant Angular Velocity) Zónový záznam – počet sektorů se na stopu zvyšuje směrem k okraji – pak se používá buď CAV nebo CLV (Constant Linear Velocity)

33 33 Klasický a zónový záznam

34 34 Floppy (pružné) disky FD – diskety – sektor má 512 B typy disket: nyní již jen 3,5”, kapacita 1,44 MB (2 povrchy, 80 stop, 18 sektorů na stopu) Kruhové stopy, klasický záznam, CAV Médium: plastový kotouč s vrstvou částic Fe 2 O 3 (feromagnetikum – lze jej permanentně zmagnetizovat vnějším magnetickým polem) po obou stranách) Způsob zápisu: záznamová hlava pomocí magnetického pole mění orientaci částic Fe 2 O 3

35 35 Pevné disky Pevné disky – obsahují zpravidla několik kotoučů nad sebou, na každém oboustranný zápis. Disk je (logicky) rozdělen na tabulku oblastí HD (Master Boot Record) zavaděč (dle konkrétního OS) tabulku alokace souborů (FAT, MFT, …) kořenový adresář oblast dat

36 36 Pevné disky

37 37 Magnetorezistivní R/W hlava

38 38 Kolmý zápis Původní způsob zápisu na pevné disky (do r. 2006/7): podélný (longitudinal recording). Problém: nelze donekonečna zvyšovat hustotu dat. Limit podélného způsobu: 100–200 Gb na čtvereční palec. Superparamagnetický efekt: když velikost oblasti pro záznam 1 bitu klesne pod určitou velikost, dochází k samovolnému otáčení magnetické orientace (tedy změně uložené hodnoty). Řešení: kolmý zápis – perpendicular recording. ad/pr/PerpendicularAnimation.html

39 39

40 40 NCQ – Native Command Queuing Přirozené řazení příkazů ke čtení/zápisu u pevných disků Disk neprovádí tyto příkazy vždy striktně v pořadí, v jakém byly zadány, ale tak, aby je provedl co nejrychleji:

41 41 Otevřený pevný disk

42 42 Rozhraní pevných disků určuje způsob komunikace mezi pevným diskem a ostatními částmi počítače a tím typ disku, který je možné k němu připojit. IDE  EIDE  Ultra ATA 133 (paralelní) levnější, typické použití: osobní počítače max. přenos. rychlost: 133 MB/s Serial ATA 150, SATA-300 (sériové) max. přenos. rychlost: 150 MB/s, 300 MB/s SCSI  Fast SCSI  Ultra SCSI  Ultra320 SCSI dražší, typické použití: servery max. přenos. rychlost: 320 MB/s

43 43 Flash disky Připojení přes sběrnici USB Snadný přenos dat V běžném prodeji kapacity od 128 MB do 8 GB Přenosová rychlost: od 1 do 20 MB/s (vyžaduje USB 2.0, na USB 1.1 jen kolem 1 MB/s) Pro zájemce: s.htm s.htm

44 44 Flash disky

45 45 Optické disky Zápis do spirály CD-ROM – jen ke čtení CD-R (Recordable) – lze na ně jedenkrát zapsat, pak už jen číst CR-RW (Read/Write) – lze přepisovat (údajně 1000×) Kapacita: 650 nebo 700 MB (až 870 MB) CD-ROM mechaniky: max. rychlost kolem 50  (násobek rychlosti 150 kB/s)

46 46 Optické disky CD-R – záznam informací laserovým paprskem – metody: ablativní metoda – vypalování otvorů do tenké kovové vrstvy bublinová metoda – vysokou teplotou se vypaří prostřední vrstva disku – tlak plynu vypoulí vrchní kovovou vrstvu při záznamu se přejde z krystalické podoby látky do amorfní (skelné) (CD-RW)

47 47 Optické disky DVD (Digital Video Disk)-ROM princip jako CD, hustší záznam, kapacita 4,7–17 GB možnost záznamu na obě strany po dvou vrstvách  2 × (4,7 + 3,8) = 17 GB použití: hlavně ukládání filmů metodou komprese MPEG-2 DVD-R, DVD+R – jednou zapisovatelné DVD, až 4.7 GB DVD-RAM – přepisovatelný disk, až 2,6 GB na jednu stranu DVD-RW, DVD+RW – přepisovatelné DVD, až 4,7 GB/stranu Přichází: Blu-ray disky a HD DVD s kapacitami desítek GB

48 48 Blu-ray disc a HD DVD Blu-ray: Matsushita, LG, Mitsubishi, Hitachi, Pioneer, Philips, Samsung, Sharp, Thomson, Sony, Dell a Hewlett-Packard. HD DVD: Toshiba, NEC a Sanyo.

49 49 Srovnání hustoty záznamu na CD, DVD, Blu-ray disku a HD DVD

50 50 Magnetické pásky Médium je feromagnetikum Záznam je většinou kontaktní, což snižuje životnost Sériové vyhledávání Problém je také s natahováním pásky Levná varianta, vhodná pro archivace Kapacita: desítky GB


Stáhnout ppt "Hardware Paměti Výpočetní technika II. 2 Obsah přednášky Parametry pamětí Hierarchie pamětí Vnitřní paměti Vnější paměti."

Podobné prezentace


Reklamy Google