KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA ir OPERACINĖS SISTEMOS

KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA ir OPERACINĖS SISTEMOS

Doc. Stasys Maciulevičius

Kompiuterių katedra

[email protected]

2009-2013 S.Maciulevičius 2

Ankstesnės paskaitos turinys

Hierarchinė atminčių sistemaPuslaidininkinių atminčių tipaiLokališkumo principasKešas (spartinančioji atmintis)

Kešo principai Procesorių kešai Kešo nauda

Dinaminė atmintis (DRAM) Klasikinių DRAM tipai Šiuolaikinės DRAM


Šios paskaitos turinys

Pagrindinė atmintis DRAM moduliai Atminčių kontrolė Atminties valdymas

Virtualioji atmintis Virtualiosios atminties esmė Segmentavimo mechanizmas Puslapiavimo mechanizmas Adresų transliacija

Išorinė atmintis Magnetiniai diskai


PAGRINDINĖ ATMINTIS


Hierarchinė atminčių sistema

CPU reg.

Talpa

Greitis, kaina

Kešas

Pagrindinė atmintis

Išorinė atmintis


DRAM moduliai

SIPP – Single In-Line Pin Package • adatiniai kontaktai• 30 kontaktų• nepraktiški - lankstosi, nulūžta

SIMM – Single In-Line Memory Module• “trumpieji” (90 mm) – 30 kontaktų, 8 bitai• “ilgieji” (108 mm) – 72 kontaktai, 4 baitai• 32 arba 36 - su lyginumo kontrole• ECC-36 ir ECC-40 – su klaidų korekcija


DRAM moduliai

DIMM – Dual In-Line Memory Module• 133,35 mm – 168 kontaktai, 8 baitai• 64 (paprasta) , 72 (lyginumo kontr. arba klaidų

korekcija), 80 bitų (klaidų korekcija)

DRAM moduliai

S.Maciulevičius8

2009-2013

DDR, DDR2 ir DDR3 moduliai skiriasi lizdų raktų geometrija.

Čia matome staliniams kompiuteriams skirtų modulių matmenis:

SPD mikroschema


Pagal JEDEC standartą kiekviename modulyje turi būti nedidelė speciali ROM mikroschema, vadinama SPD (Serial Presence Detect), kurioje laikoma informacija: apie konfigūraciją ir tipą, apie laiko diagramą, apie temperatūrinį režimą, apie gamintoją (jo kodas), serijinis numeris, pagaminimo data.

SPD mikroschema


Pavyzdžiui, testas CPU-Z rodo tokią informaciją apie modulį iš SPD: tai Supertalent DDR2 atminties modulis, kurio talpa 2 GB, galintis perduoti duomenis 666 MHz dažniu (magistralė sinchronizuojama 333 MHz dažniu) pagamintas 2007 metų 13-ą savaitę, klaidų korekcijos nėra lentelėje nurodyti laiko parametrai, kurių reikšmės priklauso nuo magistralės dažnio (200, 266 ar 333 MHz)


Lyginumo kontrolė

k = b0 b1 … b7 - lyginumok = 1 b0 b1 … b7 - nelyginumo

0 1 0 1 0 1 1 0 k

Duomenų magistralė

klaida

Duomenų magistralė

Paprastai k=n/8

n

k

k

n

Adreso magistr.

1 1

Informaciniai

AR baitai DR

Kontrolinių bitų

formavimo / kontrolės schema

nm Kontroliniai bitai


Klaidų kontrolė ir korekcija

Hemingo kodas: ištaiso pavienes klaidas ir fiksuoja daugelį kartotinių.

Kodo ilgis paprastai k=log2n + 1;

plius lyginumo kontrolė - k=log2n + 2Duomenų magistralė

klaida

n

k

k

n

Adreso magistr.

1 1

Informaciniai

AR baitai DR

Hemingo kodo

formavimas

km Kontroliniai bitai

Hemingo kodo kontrolė Korek-

cijos schema

k

nn

Atminties valdymas


CPU, kreipdamasis į atmintį, naudoja tokius signalus (linijas) : adresą, RD (skaityti) ir WR (įrašyti), duomenų linijas.

Kaip matėme, DRAM valdymui reikalingi signalai: adresas (eilutės ir stulpelio numeriai), strobavimo signalai RAS ir CAS, WE (įrašyti), duomenų žodis, OE (išėjimo buferių valdymui).


Atminties valdymas

CPU

D

A

Rd

Wr

D

A

RAS#

CAS#

WE#

OE#

DRAM kontro-leris

DRAM

Atminties valdymas


DRAM kontroleris, transformuodamas CPU kreipinio signalų rinkinį į atminčiai valdyti reikalingus signalus, kartu ir formuoja laiko diagramą pagal konkrečiam DRAM tipui (DDR2, DDR3, ...) reikalingą jų tarpusavio išdėstymą (žr. skaidres apie dinaminę atmintį su laiko diagramų pavyzdžiais)

Anksčiau išleistuose kompiuteriuose toks atminties kontroleris įeidavo į valdymo schemų rinkinio (VSR) sudėtį

Kai kuriuose šiuolaikiniuose kompiuteriuose toks atminties kontroleris jau realizuojamas procesoriaus kristale.


Atminties kontrolerio vieta kompiuteryje

CPU

VSR (šiaurinis tiltas)

FSBATM

CPU

VSR

FSBATM

AK

AK

AK – atminties kontroleris


Dviejų kanalų atmintis

Siekiant padidinti mainų tarp procesoriaus ir atminties arba tarp atminties ir spartinančiosios atminties spartą, buvo pradėta naudoti du atskirus kanalus

Tai toks atminties realizavimo būdas, kai duomenys perskaitomi dvigubu pločiu, o DRAM kontroleris juos perduoda į procesorių per du kartus

Tam reikia, kad DRAM kontroleris palaikytų tokį darbo režimą


Dviejų kanalų atmintis

Norint naudoti, pavyzdžiui, dviejų kanalų atmintį, reikia: turėti VSR (ar procesorių) su atminties

kontroleriu, palaikančiu du kanalus; turėti du (keturis ar šešis) poromis identiškus

atminties modulius; tinkamai juos įdėti į lizdus pagrindinėje

plokštėje.


2 kanalų atmintis

Lizdai dviejų kanalų atminčiai

1 kanalas

2 kanalas


3 kanalų atmintis ir Core i7

Intel Core i7

X58 IOH(I/O Hub)

DDR3 modulis (8,5 GB/s)



QPI (21,6 GB/s)

S.Maciulevičius 222009-2013

4 kanalai

Intel Core i7-3960K, Core i7-3960X, Core i7-3820, Intel Xeon E5-16xx ir Xeon E5-16xx procesoriuose integruotas atminties kontroleris palaiko net 4 kanalų DDR3-1600 atmintis

4 kanalų DDR3 atmintis palaiko ir Opteron 6100 serijos Magny-Cours (45 nm) ir Opteron 6200 serijos Interlagos (32 nm) procesoriai


VIRTUALIOJI ATMINTIS

S.Maciulevičius 24

Virtualioji atmintis

Šiuolaikiniai kompiuteriai vienu metu gali vykdyti kelias programas (pseudolygiagretus ar lygiagretus darbas)

Kiekviena tokia programa (procesas) turi atskirą kodo ir duomenų sritį

Mechanizmas, kuris užtikrina sąlygas keliems procesamas vykti vienu metu, korektiškai pasidalijant atmintį ir teisingai vykdant informacijos adresavimą, bei programos loginių adresų transformavimą į fizinius adresus, vadinamas VIRTUALIĄJA ATMINTIMI

2009-2013

S.Maciulevičius 25

Virtualioji atmintis

Be to, virtualioji atmintis pasirūpina, kad procesui reikalinga informacija (programos kodas bei duomenys) reikiamu momentu atsidurtų pagrindinėje atmintyje, saugo procesui išskirtą sritį nuo kitų procesų

Virtualioji atmintis fiziniu požiūriu – pagrindinė atmintis plius dalis išorinės (disko), apjungtos priemonėmis adresams transformuoti ir informacijai persiųsti tarp šių lygmenų

Virtualioji atmintis loginiu požiūriu – išplėsta vieningai adresuojama atminties sritis

2009-2013

S.Maciulevičius 26

Atminties adresavimas

Kalbėdami apie virtualiąją atmintį ir adresus, turime skirti kelias sąvokas:

vykdomasis arba loginis adresas – informacijos (komandos ar duomenų) adresas, kuris paskaičiuojamas procesoriuje pagal naudojamą adresacijos būdą; dažnai jis vadinamas virtualiuoju adresu

fizinis adresas – informacijos (komandos ar duomenų) adresas, kuris nurodo tikrąją jos vietą atmintyje

2009-2013

S.Maciulevičius 27

Virtualiosios atminties tipai

Du pagrindiniai virtualiosios atminties realizacijos principai:

1) Segmentavimas. Uždaviniui spręsti reikalinga atminties sritis vadinama segmentu. Segmentas – ištisinė atminties sritis. Jo dydis priklauso nuo uždavinio poreikių. Vienam uždaviniui gali būti suformuoti keli segmentai – kodo (programos), duomenų, steko.

2) Puslapiavimas – atmintis padalinama į fiksuoto dydžio blokus, vadinamus puslapiais. Uždaviniui spręsti reikalinga atminties sritis užima tam tikrą puslapių skaičių. Vienam uždaviniui išskirti puslapiai gali būti išdėstyti atmintyje bet kuria tvarka.

2009-2013

S.Maciulevičius 28

Segmentai atmintyje

Op. sistema

1 procesas

2 procesas

3 procesas

4 procesas

5 procesas

Op. sistema

2 procesas

3 procesas

4 procesas

5 procesas

Op. sistema

2 procesas

3 procesas

5 procesas

Op. sistema

2 procesas

3 procesas

6 procesas

5 procesas

2009-2013

S.Maciulevičius 29

Segmentavimo mechanizmas

Segmento Nr. Baito adresas

31 24 23 0

Segm.Nr. 32 bitų bazė

0 20000H 1 4F000H 2 8000H … ….

Atmintis

2 segm

0 segm.

1 segm.

8000

Segmentų lentelė

4F000

20000248

2009-2013

S.Maciulevičius 30

Segmentavimo mechanizmas

Čia pateiktas paprastas virtualiosios atminties segmentavimo realizacijos principas:

1. Aukščiausiasis adreso baitas skirtas segmento numeriui. Vadinasi, segmento dydis ribojamas 24 bitų ilgio adresu – 224 = 16 MB

2. Informacija apie segmentų pradžios adresus (bazes) laikoma specialioje lentelėje, pavadintoje segmentų lentele.

3. Pagal segmento numerį iš lentelės išrenkamas segmento pradžios adresas, kuris sumuojamas su 24 bitų baito adresu

2009-2013

S.Maciulevičius 31

Segmentavimo mechanizmas IA-32

Selektorius Vykdomasis adresas

15 0 31 0

Deskriptorių lentelė

Segmento deskriptorius +Bazės adresas

Fizinis adresas

31 0

2009-2013

S.Maciulevičius 32

Segmentavimo mechanizmas IA-32

Čia pateiktas Intel 32 bitų architektūroje priimtas virtualiosios atminties segmentavimo realizacijos principas:

1. Segmento informacija laikoma specialioje duomenų struktūroje, pavadintoje segmento deskriptoriumi:

• segmento pradžios adresas – bazė;• segmento dydis, .... 2. Segmentų deskriptoriai laikomi specialioje lentelėje,

pavadintoje deskriptorių lentele. 3. Segmento deskriptoriaus numeris laikomas 2 baitų

žodyje, pavadintame selektoriumi.

2009-2013


Puslapiavimo mechanizmas

Puslapių lentelė

Loginio puslapio numeris Baito poslinkis

Fizinio puslapio numeris Baito poslinkis

Apsaugos bitai

Loginis adresas:

Fizinis adresas:

S.Maciulevičius 34

Puslapiavimo mechanizmas

Čia pateiktas paprastas virtualiosios atminties puslapiavimo principas:

1. Visi puslapiai yra vienodo dydžio, tarkime, 4 KB.2. Todėl adresą padalijame į dvi dalis:

- žemiausioji adreso dalis skirta baito poslinkiui,

- aukščiausioji adreso dalis skirta loginio puslapio numeriui.

3. Pagal loginio puslapio numerį iš lentelės išrenkamas fizinio puslapio numeris, kuris kartu su baito poslinkiu ir duoda tikrąjį (fizinį) adresą

2009-2013


Adresų transliacija

Loginio adreso transformacija į fizinį vadinama adresų transliacija.

x86 procesoriuose naudojama tokia adresų transliacijos schema:

Segmentųlentelė

Puslapiųlentelė

Loginisadresas

Linijinisadresas

Fizinisadresas

2009-2013 S.Maciulevičius36


Diskas

Puslapiai

Pagrindinėatmintis

Duo-menys

Progr.kodas

Stekas

Užd

uoti

s

Puslapiųlentelė

Diskas

Kodo seg-mentas

Duome-nų seg-mentas

Steko seg-mentas

S.Maciulevičius 37


Matome, kad norint sužinoti tikrąją informacijos vietą atmintyje gali tekti du kartus papildomai kreiptis į atmintį (įrašams iš lentelių pasiekti)

Šios lentelės užima daug vietos (pavyzdžiui, 4 GB atmintį sudaro milijonas puslapių po 4 KB), todėl jas saugoti procesoriaus keše – nerealu

Todėl dabar adresų transliacijai reikalinga informacija laikoma procesoriuje esančiame specialiame keše, kurį vadinsime sparčiosios transliacijos buferiu (TLB – angl. Translation Lookaside Buffer). Kiekvienas tokio kešo įrašas užtikrina sparčią transliaciją, kreipiantis net į 1000 žodžių po 4 baitus

2009-2013

S.Maciulevičius 38

Sparčiosios transliacijos buferis

Puslapių lentelė

Loginio puslapio numeris Baito poslinkis

Fizinio puslapio numeris Baito poslinkis

Sparčiosios transliacijos

buferis

ORPuslapio atmintyje nėra

Loginis adresas iš procesoriaus

Nepataikyta

Įkrauti TLB

Pataikyta

Puslapių mainai su disku

Fizinis adresas į atmintį

2009-2013

S.Maciulevičius 39

Sparčiosios transliacijos buferis

Pagal loginiame adrese esantį loginio puslapio numerį sparčiosios transliacijos buferyje ieškome reikalingo puslapių lentelės įrašo

Jei įrašą randame (“pataikyta”), iš jo paimame fizinio puslapio numerį, kuris kartu su baito poslinkiu ir sudaro fizinį adresą

Jei įrašo šiame buferyje nėra (“nepataikyta”), tenka kreiptis į atmintyje laikomą puslapių lentelę, iš jos perskaitytą įrašą įkeliame į sparčiosios transliacijos buferį, o jame esantį fizinio puslapio numerį perduodame į formuojamą fizinį adresą

2009-2013

Sparčiosios transliacijos buferiai procesoriuje AMD K7


IŠORINĖ ATMINTIS

Išorinė atmintis

Ilgalaikiam informacijos (programų ir duomenų) saugojimui kompiuteriuose naudojami:

standieji diskai, optiniai kompaktiniai diskai (CD), skaitmeniniai universalūs diskai (DVD), flash laikmenos („atmintukai”), elektroniniai diskai (SSD).Išorinėje atmintyje yra naudojamos ne tik

stacionarios laikmenos (pavyzdžiui, visiems gerai žinomi standieji diskai), bet ir keičiamos laikmenos (išoriniai diskai, DVD, flash laikmenos)


Pirmasis MD įtaisas

Pirmasis MD įtaisas sukurtas IBM 1956 m. Įtaiso parametrai:

• 24” skersmuo, • talpa – apie 5 MB,• 50 plokštelių,• sukimosi greitis – 1200 aps/min,• paieškos laikas – apie 1 s.

1961 IBM sukurtas MD su ant oro pagalvės pakibusiomis

galvutėmis.1963 IBM sukurtas MD su keičiamu diskų paketu.1970 IBM sukurtas 8 colių diskečių įtaisas.


Pirmasis MD įtaisas

• 50 plokštelių• 1 galvutė


1 GB diskas - įdomu

Pirmasis gigabaito talpos diskų įtaisas, IBM 3380, sukurtas 1980 m., buvo šaldytuvo dydžio, svėrė 550 svarus (apie 250 kg), kainavo $40,000.

The world's first gigabyte-capacity disk drive, the IBM 3380, introduced in 1980, was the size of a refrigerator, weighed 550 pounds (about 250 kg), and had a price tag of $40,000.


Magnetiniai diskai

Cilindras

Sektorius

Velenas

Takelis

Sektorius Takelis


Informacija magnetiniame diske

• Takelis – vienas iš koncentrinių apskritimų; numeruojami nuo išorės (0) į vidų

• Cilindras – tą patį numerį turinčių takelių visuma

• Sektorius – takelio dalis, anksčiau buvo 512 baitų, o nuo 2007 metų įvesti 4096 baitų sektoriai, kurie tampa šiuolaikinių diskų standartu

• Klasteris – grupė sektorių, apjungtų į stambesnį junginį failų sistemos darbo efektyvumui padidinti; failas užima tam tikrą klasterių skaičių


Klasteriai magnetiniame diske

Disko talpaRekomenduojamas

klasterio dydis

Mažiau nei 1 GB 4 KB (8 sektoriai)

Mažiau nei 4 GB 8 KB (16 sektorių)

Nuo 4 iki 32 GB 32 KB (64 sektoriai)

Daugiau nei 32 GB 64 KB (128 sektoriai)


Informacija magnetiniame diske

• Pirmaisiais metais sektorių skaičius takeliuose buvo vienodas

• Kadangi takelių ilgis išorėje ir prie centro žymiai skiriasi, vėliau pradėta takeliuose naudoti skirtingą sektorių skaičių

• Šiuolaikiniuose diskuose takeliai suskirstyti į “zonas” su vienodu sektorių skaičiumi


Magnetiniai diskai

Magnetinis paviršius

Skaitymo-įrašymo galvutės

KorpusasKontroleris Duomenų

kešas

Velenas


Magnetiniai diskai


Magnetiniai diskai

Pagrindiniai naudotoją dominantys disko parametrai yra:

• disko talpa,• išrinkimo laikas,• maksimali duomenų įrašymo ir skaitymo sparta.Disko talpa priklauso nuo:• įrašo tankio,• plokštelių diametro (ploto),• plokštelių skaičiaus.

Šiuolaikinių diskų talpa siekia bent 500 GB, o talpiausieji diskai pasiekė net 4 TB


Magnetinių diskų įrašo tankis

Įrašo tankį apsprendžia pasiektas technologijos lygis. Įrašo tankis per daugiau nei 50 metų išaugo nuo 2

Kbitų/kv.colyje iki 620 Gbitų/kv.colyje (apie 300 mln. kartų!), o pastaruoju metu jau pasiekta 1 terabito/kv.colyje riba

Tai tiesiogiai įtakoja takelių skaičių (kartais nurodomas takelių skaičius 1 colyje – skersinis tankis) ir įrašo tankį takelyje (atitinkamai bitų skaičius 1 colyje – išilginis arba linijinis tankis)

Kitoje skaidrėje pateikti apie prieš keletą metų išleisto MD Maxtor 33073H3 parametrai; čia rasite ir skersinio bei linijinio tankio reikšmes 2009-2013 S.Maciulevičius 53

MD Maxtor 33073H3 Talpa 30 GBIntegruota sąsaja ATA-5 / Ultra ATA/100Buferio dydis/ tipas 2 MB SDRAMPaviršių sk. / Galvučių sk. 3

Plokštelių skaičius 2Įrašo tankis 14,7 Gb / kv. colyje maxTakelių tankis 34 000 tpiLinijinis tankis 354 - 431 kbpiBaitų sektoriuje / Blokas 512Sektorių takelyje 373 - 746Sektorių diske 60 032 448


MD Maxtor 33073H3

Paieškos laikai (skaitymo op.)

Takelis-takelis 1,0 ms

Vidutinis 9,5 ms

Sukimosi greitis (+ 0.1%) 5400 aps/min

Duomenų perdavimo sparta Į / iš sąsajos (Ultra ATA / 100, DMA - M5)

iki 100 MB/s.

Į / iš laikmenos iki 46,7 MB/s

Starto laikas 8,5 s


MD kešas

Mainams tarp pagrindinės atminties ir disko paspartinti naudojamas disko kešas (buferis), nes:

• dažniausiai iš kešo skaitoma nuosekliai, 512 B blokais (sektoriais);

• disko galvutei pozicionuoti reikia gana nemažai laiko (apie 1 ms);

• reikiamo sektoriaus gali tekti palaukti, iki jis atsisuks ties skaitymo galvute.


MD kešas

• Todėl tikslinga diske įtaisyti RAM disko dalies turinio kopijai laikyti, o į patį diską kreiptis tik tuomet, kai reikiamos informacijos nėra keše.

• Šis kešas dirba panašiai kaip ir tikrasis: – mainams naudojama write-through arba write-back

strategijos;– pakeitimui naudojama LRU strategija;– blokų dydis - 512 B (atitinka sektorių);– užpildant kešą, perkeliamas ne tik blokas, į kurį

kreipiamasi, bet ir kiti.

Disko kešo talpa siekia 16 MB2009-2013 S.Maciulevičius 57

Magnetiniai diskai

Kreipties laikas priklauso nuo:• cilindro paieškos laiko• vėlinimo dėl sukimosiSukimosi greitis - 5400, 7200, 10000, 15000

aps/min.Informacijos perdavimo laikas priklauso

nuo:• įrašo tankio ir • disko sukimosi greičio


Magnetiniai diskai

Perdavimo laikas

Reikalingas sektorius

Paieškos laikas

Vėlinimas dėl sukimosi

Skaitymo ir įrašymo galvutė


Magnetinių diskų įrašo tankis

Seagate, MD gamyboje užimanti antrą vietą pasaulyje, sukūrė 3,5” magnetinį diską, kurio vienoje plokštelėje telpa 1 terabaitas (625 Gb kvadratiniame colyje)

3 ТB (3 plokštelės) MD sutalpins 120 didelės raiškos filmų, 1500 videožaidimų, tūkstančius fotonuotraukų ir muzikinių kompozicijų


Diskai – įrašymo būdai

Tradicinis įrašymo būdas – horizontalusis rašymas:

N S N S S N S N N S S N N S

Pradedamas naudoti naujas įrašymo būdas – vertikalusis rašymas:

N

S

S

N

S

N

N

S

S

N

S

N

S

N

N

S

S

N

N

S

Įrašant vertikaliuoju būdu, magnetinės dalelės išdėstomos statmenai disko paviršiui, tad diske telpa daugiau bitų, sumažėja magnetinių trikdžių.


Documents

KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA ir OPERACINĖS SISTEMOS