Иерархия запоминающих устройств

Память вычислительной машины представляет собой иерархию запоминающих устройств (ЗУ), отличающихся средним временем доступа к данным, объемом и стоимостью хранения одного бита (рис. 5.24). Фундаментом этой пирамиды запоминающих устройств служит внешняя память, как правило, представляемая жестким диском. Она имеет большой объем (десятки и сотни гигабайт), но скорость доступа к данным является невысокой. Время доступа к диску измеряется миллисекундами.

На следующем уровне располагается более быстродействующая (время доступа равно примерно 10-20 наносекундам) и менее объемная (от десятков мегабайт до нескольких гигабайт) оперативная память, реализуемая на относительно медленной динамической памяти DRAM.

Для хранения данных, к которым необходимо обеспечить быстрый доступ, используются компактные быстродействующие запоминающие устройства на основе статической памяти SRAM, объем которых составляет от нескольких десятков до нескольких сотен килобайт, а время доступа к данным обычно не превышает 8 нс.
И наконец, верхушку в этой пирамиде составляют внутренние регистры процессора, которые также могут быть использованы для промежуточного хранения данных. Общий объем регистров составляет несколько десятков байт, а время доступа определяется быстродействием процессора и равно в настоящее время примерно 2-3 нс. Кэш-память, или просто кэш (cache), — это способ совместного функционирования двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который за счет динамического копирования в «быстрое» ЗУ наиболее часто используемой информации из «медленного» ЗУ позволяет, с одной стороны, уменьшить среднее время доступа к данным, а с другой стороны, экономить более дорогую быстродействующую память.
Неотъемлемым свойством кэш-памяти является ее прозрачность для программ и пользователей. Кэш-памятью, или кэшем, часто называют не только способ организации работы двух типов запоминающих устройств, но и одно из устройств — «быстрое» ЗУ. По устойчивости записи и возможности перезаписи ЗУ делятся на:

§ Постоянные ЗУ (ПЗУ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, BIOS). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.

Оперативные ЗУ (ОЗУ) обеспечивают режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки. Быстрые, но дорогие ОЗУ (SRAM) строят на триггерах, более медленные, но дешёвые разновидности ОЗУ — динамические ЗУ (DRAM) строят на конденсаторах. В обоих видах ЗУ информация исчезает после отключения от источника питания (например, тока).

Вопрос-12

Прерывания в микроконтроллерах представляет собой механизм, который позволяет микроконтроллеру реагировать на внешние события. Этот механизм работает таким образом, что при наступлении некоторого события в процессоре возникает сигнал, заставляющий процессор прервать выполнение текущей программы, т.е. говорят, что возникло прерывание. После того как выполнение текущей программы прервано, процессор должен перейти к выполнению программной процедуры, связанной с этим событием (прерыванием) – процедуры обработки прерывания. Аппаратные прерывания являются эффективным механизмом

взаимодействия с устройствами. В отличие от режима циклического

опроса состояния устройства (polling), занимающего вычислительные

ресурсы системы, прерывания позволяют программе асинхронно

обращаться к устройству только в тех случаях, когда состояние

устройства изменилось. Прерывание — инициируемый определенным образом процесс, вре­менно переключающий микропроцессор на выполнение другой программы с по­следующим возобновлением выполнения прерванной программы. Он позволяет обеспечить наи­более эффективное управление не только внешними устройствами, но, как мы увидим далее, и программами. Традиционно выделяют три основных варианта обмена процессора с внешними устройствами:

- программный обмен (program polling); При программном обмене процессор постоянно опрашивает внешнее устройство, дожидаясь его готовности к обмену или наступления другого события. Такой вариант является самым простым, так как требует только чтения портов ввода/вывода, определенные биты которых сигнализируют о наступлении ожидаемого события, однако он приводит к непродуктивным потерям времени процессором, даже если он выполняет свои запросы не постоянно, а через определенные (длительные) интервалы времени. С другой стороны, при таком варианте, если длительность интервалов достаточно велика, процессор может и пропустить какое-то событие.

Вопрос-13

Стек — самая популярная и, пожалуй, самая важная структура данных в программировании. Стек представляет собой запоминающее устройство, из которого элементы извлекаются в порядке, обратном их добавлению. Это как бы неправильная очередь, в которой первым обслуживают того, кто встал в нее последним.Дисциплина работы очереди обозначается FIFO, что означает первым пришел — первым уйдешь (First In First Out). Дисциплина работы стека обозначается LIFO, последним пришел — первым уйдешь (Last In First Out). Стек применяется довольно часто, причем в самых разных ситуациях. Объединяет их следующая цель: нужно сохранить некоторую работу, которая еще не выполнена до конца, при необходимости переключения на другую задачу. Стек используется для временного сохранения состояния не выполненного до конца задания. После сохранения состояния компьютер переключается на другую задачу. По окончании ее выполнения состояние отложенного задания восстанавливается из стека, и копьютер продолжает прерванную работу. Обратная польская запись операторов исходной программы безусловно отображает точную последовательность выполнения операций. Отличительной особенностью обратной польской нотации является то, что все аргументы (или операнды) расположены перед знаком операции. Автоматизация вычисления выражений в обратной польской нотации основана на использовании стекаОбpатная польская запись обладает pядом замечательных свойств, котоpые пpевpащают ее в идеальный пpомежуточный язык пpи тpансляции. Во-пеpвых, вычисление выpажения, записанного в обpатной польской записи, может пpоводиться путем однокpатного пpосмотpа, что является весьма удобным пpи генеpации объектного кода пpогpамм. Во-втоpых, получение обpатной польской записи из исходного выpажения может осуществляться весьма пpосто на основе пpостого алгоpитма, пpедложенного Дейкстpой. Для этого вводится понятие стекового пpиоpитета опеpаций Стек – структура данных с односторонним доступом, хранящая последовательность значений, для которой определены следующие операции:

• очистить стек (сделать структуру пустой);
• проверить на пустоту;
• добавить элемент;
• взять элемент;
• прочитать элемент;
• записать элемент.

Особенностью стека является то, что в каждый момент времени мы имеем доступ лишь к одному элементу, который находится в конце стека – вершине стека.

При «добавлении элемента» новое значение добавляется в конец стека. При выполнении операции «взять элемент» – извлекается из него. Операции «прочитать элемент» и «записать элемент» работают с вершиной стека.

Говорят, что стек работает по принципу LIFO (Last in – first out; последним пришел – первым ушел).

Очередь – структура данных с двусторонним доступом, хранящая последовательность значений, для которой определены следующие операции:

• очистить очередь (сделать структуру пустой);
• проверить на пустоту;
• добавить элемент в конец;
• взять элемент в начале;
• прочитать первый элемент;
• записать последний элемент.

Операции похожи на те, что были описаны в стеке. Отличие лишь в том, что добавление элемента происходит в конец очереди, а удаление – из ее начала. Структура данных очередь полностью аналогична обыденному пониманию этого слова. Когда человек занимает очередь в магазине, он становится в конец очереди, так и элемент добавляемый в очередь дописывается в ее конец. Когда приходит очередь брать товар, человек берет товар и уходит, так и при извлечении элемент берется из начала очереди.

Про очередь говорят, что она работает по принципу FIFO (First in – first out; первым пришел – первым ушел).

Вопрос-14

интерфейс (interface) — этосовокупность логических и физических принципов взаимодействия компонентов технических средств вычислительной системы (ВС), т. е. совокупность правил алгоритмов и временных соглашений по обмену данными между компонентами ВС (логический интерфейс), а также совокупность физических, механических и функциональных характеристик средств подключения, реализующих такое взаимодействие (физический интерфейс).

Интерфейс нередко называют также технические и программные средства, реализующие сопряжение между устройствами и узлами ВС.

Интерфейс распространяется на все логические и физические средства взаимодействия вычислительной системы с внешней средой, например с операционной системой, с оператором и т.п.