На основании международного образовательного стандарта Computer Science был разработан стандарт СПбГУ с тем же названием. В дополнение к вопросам, обозначенным в международном стандарте, в этом курсе рассказывается о разработках кафедры и родственных ей IT предприятий в области создания новых архитектур ЭВМ и технологий их программирования. В курсе рассказывается о базовых понятиях архитектур ЭВМ (арифметико-логическое устройство, память, регистры, устройство управления, ввод/вывод), истории их создания, архитектурных способах ускорения ЭВМ (водопровод, RISC, спекулятивное исполнение, предсказание переходов, многопроцессорные и многомашинные архитектуры), о нетрадиционных архитектурах (систолические структуры, мобильные телефоны, встроенные системы реального времени). В теме «HLL компьютеры» подробно рассказывается о HLL компьютере "Самсон", разработанном под руководством автора этого курса. От слушателей курса не требуется начать программировать на машине "Самсон", гораздо более интересно обсудить, почему выбрана именно такая архитектура, такая система команд, какие предложены оптимизации, чем предлагаемые архитектуры лучше существующих. В заключение рассказывается о двух конкретных наиболее популярных архитектурах ЭВМ (самая старая из ныне живущих архитектур мейфрейм IBM/360 и наиболее массовая современная архитектура ARM). По завершении этого курса учащиеся будут: Уметь: - Разбираться в различных архитектурах ЭВМ, сравнивать их по длине кода, эффективность исполнения, оценивать сложность аппаратной реализации; - На основании знания внутренней структуры компьютера, устройства его кэш-памяти, знания реализации шин, уметь оптимизировать свои программы; - Спроектировать новую ЭВМ, хотя бы на бумаге. Знать: - Структурные схемы современных ЭВМ; - Способы аппаратной реализации основных элементов ЭВМ; - Принципы работы устройств ввода/вывода. Владеть: - Навыками ускорения программного обеспечения за счет знания внутренней организации кэш-памяти и шин; - Навыками ускорения ввода/вывода; - Способами рационального создания микропрограмм ЭВМ.
Иерархия памяти
Loading...
Del curso dictado por Saint Petersburg State University
Архитектура ЭВМ (Computer Architecture)
18 calificaciones
Conoce a los instructores
Терехов Андрей Николаевичпрофессор
Кафедра системного программирования
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] Уважаемые слушатели.
Сегодня мы поговорим об организации памяти.
ADV имеет много устройств памяти,
и они образуют определённую иерархию от самых быстрых до самых медленных.
Начинается всё с регистров.
Регистры — это устройства, которые считаются с триггеров и расположены
прямо в процессоре, поэтому доступ к ним самый быстрый.
Сегодняшние ЭВМ имеют сотни или даже тысячи регистров с тем,
чтобы обеспечить скорость работы.
Следующий уровень иерархии образует так называемая кэш-память.
Кэш — это по-французски cacher, «кошелёк» или место,
куда вы кладёте что-нибудь, что может быстро понадобиться.
Исторически такое название сложилось.
Как обычно, в нашей специальности очень много жаргонных слов с течением времени
становятся нормальными официальными терминами.
Так вот кэш-память — это очень быстрая память, довольно дорогая,
в которой хранятся часто используемые фрагменты основной памяти.
Как она устроена я чуть позже расскажу.
Следующая — это основная оперативная память.
Когда я начинал работу программистом память была там 1000 слов,
потом 512 тысяч слов, теперь уже мегабайты и даже гигабайты.
Я — генеральный директор большого предприятия, и меня раздражает,
когда мои молодые программисты говорят, что им 2 гигабайтов не хватает, им надо 6,
8 гигабайтов.
Я про себя думаю: «Куда они эту память девают?» Но тем не менее сегодняшняя жизнь
именно такова, что оперативная память довольно большая.
Следующий уровень памяти образует дисковая память.
Тоже довольно быстрая и довольно большая, но, конечно, медленнее,
чем оперативная память.
Надо сказать, что раньше ещё использовались барабаны,
поскольку я очень люблю историю ЭВМ, я вам обязательно упомяну об этом.
Такие металлические цилиндры, на них был нанесён магнитный слой,
на них можно было читать и писать.
И 30–40 лет назад это была основная внешняя память.
Но потом диски их вытеснили.
Наконец после дисков по иерархии памяти идут ленты, магнитные ленты.
Опять-таки одно время это была очень популярная основная внешняя память.
Я помню, как мы с бобинами с лентами ездили в Москву, ставили, снимали,
но потом диски стали всё больше по ёмкости и больше,
ленты вытеснили, а потом вдруг неожиданно появилась вторая реинкарнация лент,
и ленты стали применять для хранения бэкап-памяти, это запасная память,
если диск испортился, чтобы была где-то информация сохранена.
И для полноты картины упомянем ещё перфоленты и перфокарты —
такие бумажные полоски с дырочками.
Я на них очень много работал, очень долго,
но сегодня это, по-моему, тоже, скорее, история ЭВМ.
Поподробнее разберём каждый из этих уровней памяти.
Кэш-память.
Кэш-память — это быстрая память, довольно дорогая, надо это знать,
и поэтому она не может быть очень большой.
Скажем, 256 килобайт или 512 килобайт, но вряд ли больше.
И в кэш-памяти хранятся наиболее часто используемые участки основной памяти.
Хранятся в кэш-памяти не слова отдельные, а целые линейки,
скажем, в процессоре x86, основной микропроцессор,
который используется в персоналках, там линейка составляет 64 байта.
И эти линейки связываются в цепные списки так,
что наиболее часто используемые линейки находятся в начале списка
и при каждом обращении к линейке она перетаскивается в самое начало списка.
А таким образом редко используемые линейки потихонечку из списка уходят.
И, в общем, надо сказать, что сегодня уже научились так делать,
что кэш-память довольно высокий процент обращений берёт на себя,
не давая обращаться к основной памяти, которая в разы медленнее.
Основная память бывает двух типов: статическая,
которая состоит из триггеров, быстрая,
но довольно дорогая; и динамическая, которая состоит из конденсаторов.
Если вы помните школьный курс физики, конденсатор — это две пластины,
и между ними диэлектрик.
И вот если есть заряд на конденсаторе, считается, что единичка есть,
а если нет заряда, считается, что на конденсаторе 0.
Но поскольку идеальных диэлектриков не бывает, заряд потихонечку истекает,
поэтому приходится всё время делать так называемый refresh.
То есть читать и писать куски памяти.
Это тоже является некоим накладным расходом и ещё более
замедляет динамическую память.
Короче, сегодня можно сказать, что сегодня динамические памяти бывают,
нормальная машина содержит какие-то гигабайты: 2, 4,
8 гигабайтов динамической памяти.
А статическая память применяется для кэш-памяти и ещё для каких-то особо важных
участков, для каких-то особо важных работ, где требуется высокая скорость работы.
Какие характеристики можно назвать у основной памяти?
Прежде всего это latency — задержка.
Память всегда была медленнее процессоров.
Когда я был молодой, соотношение было 3 — 4, то есть память была в три,
в четыре раза медленнее процессоров.
А сегодня память в 15–20 раз медленнее, чем процессоры.
Мне трудно сказать, в чем дело, я не инженер,
а математик, но в общем так устроена современная электроника,
что память как-то развивается в сторону величины, гигабайтов, а процессоры в
основном развиваются в сторону увеличения производительности скорости.
Поэтому сегодня соотношение между памятью и процессорами ещё более плохое,
чем оно было 15–20 лет назад.
Следующая характеристика — cycle time, время цикла.
Если вы помните, на первой лекции я вам показывал основную синхросерию на слайде.
Так вот расстояние между двумя фронтами этих прямоугольничков называется циклом,
или тактом.
И чем больше частота тактов, тем больше скорость работы машины.
Сегодняшние ЭВМ работают на скоростях в гигагерцах,
то есть миллиарды тактов в секунду.
Не все команды занимают один такт,
некоторые команды требуют для исполнения многих тактов.
Тем не менее, в общем, когда вы покупаете персональный компьютер, то прежде
всего обращаете внимание на скорость работы, а именно частота в тактах.
И вот если там 1–2 гигагерца, то это уже хорошая машина,
а если там совсем только килогерцы, то это медленная машина.
Следующая характеристика — ширина доступа к памяти, bandwidth.
Такое труднопроизносимое английское слово.
То есть сколько байтов вы можете передать за один такт из памяти в процессор.
Здесь я хочу привести вам очень характерный пример, исторический пример.
IBM вообще хорошая компания, я про неё ещё много раз буду упоминать в данном курсе,
но вот момент выпуска персональных компьютеров IBM прозевала.
И уже были Commodore, там Apple первые пошли.
А IBM это дело прозевала.
Но в конце концов все-таки они прочухали, что это дело важное,
выделили аж трех инженеров, и эти инженеры создали персональный компьютер IBM PC XT.
Кстати, очень хороший компьютер, видимо, инженеры были хорошие,
а начальство просто прозевало такой важный момент.
Так вот в первых IBM PC XT был процессор Intel i8086,
16-разрядный процессор, и ширина доступа к памяти тоже была 16.
И компьютеры, я их просто хорошо помню, стоили примерно 5000 долларов,
персональный компьютер стоил 5000 долларов.
Их покупали, естественно, мало, все-таки дорого.
И тогда IBM пошло на следующий шаг, на мой взгляд,
очень интересное инженерное решение.
Они стали использовать микропроцессор Intel i8088,
который тоже 16-разрядный, как и 86-й, но ширина доступа к памяти была не 16,
а 8, поэтому 16-разрядное слово надо было читать за два такта.
Так вот, стоимость упала до 1500 долларов, то есть больше чем, в два раза.
Больше, чем в три раза упала стоимость.
Вот теперь вы понимаете,
что такое шина доступа к памяти и насколько она определяет стоимость машины.
Итак, на этом примере хорошо видно, какую высокую роль играет понятие
bandwidth — ширина доступа и как это влияет
на стоимость компьютера.
Explora nuestro catálogo
Inscríbete de manera gratuita y obtén recomendaciones personalizadas, actualizaciones y ofertas.
Coursera brinda acceso universal a la mejor educación del mundo, al asociarse con las mejores universidades y organizaciones, para ofrecer cursos en línea.
© 2019 Coursera Inc. Todos los derechos reservados.
