Организация физического ОЗУ

Доступ к элементам оперативной памяти прямой. Это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес. Разрядность памяти – это количество бит, с которыми операция чтения или записи может быть выполнена одновременно. Разрядность основной памяти обычно согласуется с разрядностью внешней шины процессора. Например: 2 байта – для i8086 и 8 байт – для Pentium. Адрес ячейки ОЗУ считывается с шины адреса, а связь содержимого ячейки с процессором осуществляется посредством шины данных. В системах с шириной шины адреса, равной 32 битам, имеется возможность адресовать байты от 0 до 232–1, то есть чуть более 4 млрд. байт.

«Цикл памяти» в общем виде выглядит так. Процессор, желающий прочитать содержимое ячейки с адресом N, устанавливает этот адрес на шину адреса и посылает по шине управления сигнал «чтение». ОЗУ, получив этот сигнал, выставляет содержимое своей ячейки с таким номером на шину данных и посылает по шине управления сигнал «готово». Получив этот сигнал, процессор воспринимает состояние шины данных и убирает сигнал «чтение». Запись в ОЗУ происходит аналогично. Процессор выставляет на шину данных число, подлежащее записи, на шину адреса – номер записываемой ячейки, а на шину управления – сигнал «запись». ОЗУ, получив этот сигнал, воспринимает состояние шины данных и сохраняет его в ячейке с номером N.

Отметим также, что все другие устройства на шине адреса процессор рассматривает не как адресуемую память, а как порты ввода–вывода подключенных устройств (таймер, контроллеры накопителей информации и т.д.). В семействе процессоров Intel х86 и PC–совместимых компьютерах пространство адресов ячеек памяти и пространство адресов портов ввода–вывода разнесены. Другими словами, это два разных адресных пространства.

Под портом понимают некую схему сопряжения периферийного устройства с процессором. Устройства могут иметь от одного до нескольких регистров с различными режимами работы (для чтения, записи или то и другое одновременно). Через порты ввода–вывода процессор может обмениваться данными с внешними устройствами напрямую.

Примеры функций для чтения и записи байта данных в порт ввода–вывода:

Этот способ для связи процессора с внешними устройствами обычно используется для программирования режимов работы внешних устройств.

В том случае, когда требуется высокая скорость обмена и передача большого количества информации, используется специальный контроллер DMA (Direct Memory Access). В этом случае внешнее устройство обменивается данными с оперативной памятью уже непосредственно, то есть минуя процессор. Процессор только программирует микросхему контроллера DMA на нужный режим работы, а за пересылку данных далее отвечает сам контроллер. Обычно контроллеры DMA не считают процессорами, однако без большого преувеличения можно сказать, что это все–таки простейший процессор канала ввода–вывода.

Типы адресов

Программист обращается к памяти с помощью некоторого набора логических имен, которые чаще всего являются символьными, а не числовыми. Имена переменных и функций составляют пространство символьных имен программы.

Виртуальные адреса, называемые иногда математическими, или логическими, адресами, вырабатывает компилятор, переводящий программу на машинный язык. Поскольку во время компиляции в общем случае не известно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то компилятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что начальным адресом программы будет нулевой адрес.

Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены переменные и команды.

Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Диапазон возможных адресов виртуального пространства у всех процессов является одним и тем же. Например, при использовании 32–разрядных виртуальных адресов этот диапазон задается границами 0000000016и FFFFFFFF16. Максимальный размер виртуального адресного пространства ограничивается только разрядностью адреса, присущей данной архитектуре компьютера, и, как правило, не совпадает с объемом физической памяти, имеющимся в компьютере. 4 Гбайт (232) представляет собой только потенциально возможный размер виртуального адресного пространства. Обычно программа в стадии выполнения использует только часть доступного ей виртуального адресного пространства.

У разных ОС используются разные способы структуризации виртуального адресного пространства. В ОС Windows виртуальное адресное пространство процесса, подобно физической памяти, представлено в виде непрерывной линейной последовательности виртуальных адресов. Такую структуру адресного пространства называют также плоской (flat). При этом виртуальным адресом является единственное число, представляющее собой смещение относительно начала (обычно это значение 0) виртуального адресного пространства. Адрес такого типа называют линейным виртуальным адресом.

В ОС MS–DOS виртуальное адресное пространство делится на части, называемые сегментами. В этом случае помимо линейного адреса может быть использован виртуальный адрес, представляющий собой пару чисел (сегмент: смещение).

Обычно виртуальное адресное пространство процесса делится на две непрерывные части: системную и пользовательскую. В Windows NT эти части имеют одинаковый размер — по 2 Гбайт. Часть виртуального адресного пространства каждого процесса, отводимая под сегменты ОС, является идентичной для всех процессов. Поэтому при смене активного процесса заменяется только вторая часть виртуального адресного пространства, содержащая его индивидуальные сегменты, как правило, коды и данные прикладной программы.

Сегодня для машин универсального назначения типична ситуация, когда объем виртуального адресного пространства превышает доступный объем оперативной памяти. В таком случае ОС для хранения данных виртуального адресного пространства процесса, не помещающихся в оперативную память, использует внешнюю память. Именно на этом принципе основана виртуальная память — наиболее совершенный механизм, используемый в операционных системах для управления памятью.

Внешняя память

Внешняя память представляет собой отдельные устройства с различными принципами хранения информации на продолжительный срок. Их другое название – накопители данных. В состав внешней памяти компьютера входят накопители: на жёстких магнитных дисках, на гибких магнитных дисках, на компакт–дисках, на флэш–картах, на магнито–оптических дисках, на магнитной ленте (стримеры) и другие устройства.

Процессор или программа могут получить доступ к содержимому информации на внешних носителях только опосредованно, через отображение ее в какой–либо области оперативной памяти. Схема циркуляции информации выглядит примерно так: ВЗУ ↔ ОЗУ ↔Кэш ↔Процессор.

Устройства внешней памяти обычно имеют в своем составе специализированный контроллер. Контроллер подключается к системной шине и получает уникальный номер (адрес). После этого контроллер осуществляет наблюдение за сигналами, идущими по шине, и отвечает на сигналы, адресованные ему.

Из множества устройств внешней памяти кратко рассмотрим три наиболее массовых: жесткие диски (HDD), накопители на оптических дисках и флеш–память.

Жесткие диски (HDD). У жестких дисков носителями информации являются круглые алюминиевые или некристаллические стекловидные пластины, покрытые слоем магнитного материала. В накопителях обычно устанавливается несколько дисков. Данные записываются на обеих сторонах каждого диска. Операции чтения/записи выполняются универсальными головками.

Развитие HDD–технологий можно разбить на пять этапов:

· первый (до 1979 г.) – использование «классических» индуктивных головок записи/считывания;

· второй (1979–1991 гг.) – применение тонкопленочных головок;

· третий (1991–1995 гг.) – применение магниторезистивных головок;

· четвертый (1995–2000 гг.) – применение супермагниторезистивных головок: уменьшение магнитного зазора в записывающей головке и повышение чувствительности головки чтения за счет использования материалов с аномально высоким коэффициентом магниточувствительности;

· пятый (с 2000 г.) – появление моделей с новым типом магнитного покрытия — с антиферромагнитной связью (AFC) при сохранении параметров магнитных головок.

Рабочие поверхности дисков разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы. Нумерация дорожек начинается с единицы, тогда как нумерация головок и цилиндров начинается с нуля. Количество секторов на дорожке не одинаковое. Чем дальше дорожка от центра, тем больше на ней число секторов.

Всю информацию, хранящуюся на жестких дисках, условно делят на служебную и пользовательскую. Первая изначально присутствует в любом HDD и записывается на заводе–изготовителе в процессе первичной разметки на высокоточном технологическом стенде (низкоуровневое форматирование). При разметке на диски записываются служебные сервометки, а также формируются дорожки и секторы.

C помощью программы FDisk пользователь может поделить физический диск на несколько логических областей. Можно создать любую конфигурацию разделов. Разделы могут быть четырех типов:

1. Master Boot Record (главная загрузочная запись, MBR). Здесь (в первом блоке HDD) хранится информация о разбиении диска и в нем размещается загрузочная запись.

2. Primary (основной). Это раздел, в котором всегда устанавливается операционная система.

3. Extended (расширенный). Это раздел для программ пользователя, к которому ОС имеет доступ. Extended может использоваться целиком (как единый логический диск) или же разбит на несколько логических дисков.

4. Other (иной) раздел. Это Extended–раздел, выделяемый для установки другой OC, отличной от установленной в разделе primary.

Каждому разделу может соответствовать своя файловая система (FAT, FAT32, NTFS). Файловая система NTFS (Windows NT File System —Windows NT) доступна только в операционной системе Windows NT/2000/XP. NTFS обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, например средства безопасности.

При форматировании высокого уровня операционная система создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector — VBS), две копии таблицы размещения файлов (FAT) и корневой каталог (Root Directory). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже не использует помеченные, дефектные участки диска.

Оптические диски. В накопителях на оптических дисках носителем информации является CD–ROM или DVD–ROM. Время доступа к данным у CD ROM достигает 85 мс, тогда как у жестких дисков — оно равно 10 мс. Компакт–диск состоит из трех слоев – основного, сделанного из пластмассы, отражающего, выполненного из алюминия или серебра, и защитного – из прозрачного лака полиакрилата. Информация на оптических дисках представляется в виде последовательности углублений в диске и выступов, расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области, примыкающей к оси диска. Принцип системы считывания состоит в том, что лазерный луч направляется на поверхность компакт–диска. Отражаясь от нанесенных на диск углублений, луч попадает на фотоэлемент, который в зависимости от характеристик падающего на него света выдает электрические сигналы, которые несут информацию в виде цифр, состоящую из нолей и единиц. Огромное число записанных на диске данных (каждый компакт–диск содержит свыше 8 миллиардов углублений) требует исключительной точности перемещения лазерного луча.

Современные DVD ROM вмещают 4.7 Гбайт данных, а новые версии DVD обещают работать с объемом 17 Гбайт (что в 27 раз превышает объем компакт дисков). Дисковод DVD – это не просто накопитель CD ROM высокой емкости, он позволяет обогатить звуковые и видеовозможности ПК.

Флэш–память (Flash–Memory) – разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз. Распространена флэш–память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи. Это намного больше, чем способен выдержать CD–RW. Возможность хранения данных без подключения к питанию достигается путем хранения информации с помощью транзисторов. Транзисторы в флэш–памяти могут менять свое значение (1 или 0). Но при отсутствии электропитания это значение остается постоянным.

«Флэшки» используют файловые системы FAT16 или FAT32. Как и все устройства файловой системой FAT32, флэш–устройства должны содержать главную загрузочную запись, загрузочный сектор и таблицу размещения файлов. Таблица всегда хранится в двух экземплярах в различных областях устройства памяти.

«Флэшки» практически вытеснили из повседневного использования дискеты и CD. Недостатком, не позволяющим устройствам на базе флэш–памяти вытеснить с рынка жёсткие диски, является высокое соотношение цена/объём, превышающее этот параметр у жестких дисков в 2–3 раза. В связи с этим и объёмы флэш–накопителей не так велики, хотя работы в этих направлениях ведутся. Удешевляется технологический процесс, усиливается конкуренция. Многие фирмы уже заявили о выпуске SSD– накопителей объёмом 256 ГБ и более.

Физическим устройствам внешней памяти присваиваются логические имена: a, b, c и т. д. Доступ к логическим устройствам, а также к файлам логических устройств может быть осуществлен только после выполнения процедур открытия файла/логического устройства. Для получения дескриптора устройства используется функция CreateFile(), а для получения информации об устройстве функция DeviceIoControl().