Компьютер құрылысы

          

КЭШ жады компьютер өнімділігі артуына  арналған құрылғылардың бірі. Кэш жады жадының бір түрі болып әртүрлі тез әрекетті замандас компьютерлерде қолданылып ( ағылшынша . cache - құпия орын , қойма ) деген мағынаға ие. Кэш жады есте сақтайтын құрылғымен немесе буфермен келеді. КЭШ жады оқуға - жазуға арналған қатты дисктің айналдыру санын қысқартады , дәл осылай оған сақтайды. Процессор жағынан оқу процес қайталауларын талап етпейді немесе басқа хабар өңдейді .КЭШ жадының екі түрі бар болады : ішкі ( 8-ден 64 кбайт ), орналастырылушы процессор ішінде және сыртқы ( 256 кбайт-тан 1 Мбайт ),ол жүйелік платада орналастырылған.

 

Оперативті  жадыны басқару жүйесі.

Жады  - мультибағдарламалы операционды жүйе қатарынан түбегейлі басқаруды талап ететін ең маңызды дерлік ресурстардың бірі болып табылады. Жадының Бос бөліктерінің барлығы бөлістіруге төнеді.ОЖ жадыны басқару жөнінен қызметтері: бос және толған жадыны анықтау, жадыны үрдістерге бөлу мен олардың тамамдалуы кезінде жадыны босату, үрдістерді оперативті жадыдан дискіге ығыстыру, оперативті жадыда орын босаған кезед оларды қайтара көшіру, сондай-ақ бағдарлама мекен-жайларын физикалық жадының нақты облысына саралау.

Мекен-жайлар түрлері

Құбылмалы және командалар идентификациясы үшін символды атаулар, виртуалды мекен-жайлар мен физикалық мекен-жайлар қолданылады.

Символды атауларды тұтынушы бағдарламаны алгорит тілінде немесе ассемблерде  жазу барысында қолданылады.

Виртуалды мекен-жайларды бағдарламаны машина тіліне аударатын   транслятор жасап шығарады. Осылайша, аударылым барысында бағдарламаның оперативті жадының қай бөлігіне барып орнығатыны белгісіз болғандықтан, транслятор бағдарламаларға құбылмалы және командаларға виртуалды мекен-жайларды беріп, бағдарлама нөлдік мекен-жайдан басталатынын ескереді. Үрдістің виртуалды мекен-жайларының жиынтығы  виртуалды мекен-жай кеңістігі деп аталады. Әрбір үрдіс өзіндік виртуалды мекен-жай кеңістігіне ие. Виртуалды мекен-жай кеңістігінің максималды көлемі компьютердің аталған сәулетіне тән мекен-жай разрядтылығымен шектеледі, сондай-ақ компьютердің физикалық жадымен сәйкес келмейді.

Физикалық мекен-жайлар құбылмалылар мен командалар орныққан оперативті жадының ұяшық нөмірлеріне сәйкес. Виртуалды мекен-жайдан физикалыққа ауытқу екі тәсілмен жүзеге асады. Алғашқыда, алмастыруды арнайы жүйелік бағдарлама – алмастырушы қосушы орындайды. Ол физикалық жадының бастапқы мекен-жайы жөніндегі ақпаратқа сүйемдене отырып, бағдарламаның қосылуын іске асырады. Екінші тәсілде, бағдарлама виртуалды мекен-жайда еш өзгертілімсіз қосылады, бұл ретте операционды жүйе бағдарламалық кодтың виртуалды мекен-жай кеңістігіне қатысты орнығуын бағдарлайды. Бағдарламаның орындалуы барысында оперативті жадыға төну кезінде виртуалды мекен-жайдың физикалыққа түрленуі орындалады. Екінші тәсіл барынша тиімді болып табылады. Ол бағдарламаныңорындалуы кезінде оның деңіл түрде орын алмастыруын қамтамасыз етеді, ал алмастырушшы қосушы бағдарламаны жады бөлігіне мықтап бекітіп тұрады. Сонымен қатар алмастырушы қосушыны қолдану шығындар санын кемітеді, себебі виртуалды мекен-жайдың түрленуі қосылу барысында бір рет қана болады, ал екінші жағдайда аталған мекен жайға төну кезінде қайтара орындалып отырады.

Жадыны басқарудың барлық тәсілдері  екі классқа жіктелуі мүкін: оперативті жады мен диск арасында үрдістердің орны алмастыруын қолданылатын тәсілдер, және мұндай әрекеттілікті жасамайтын тәсілдер

Жадыны диск кеңістігінің қолданылуынсыз бөлістіру тәсілдері(12-ші сурет)

12-ші  сурет.

Жадыны фиксирленген бөліктермен бөлістіру.

Оперативті жадыны басқарудың ең қарапайым  тәсілі – оны фиксирленген көлемді  бірнеще бөліктере бөлістіру  болып табылады. Бұл жүйе бастамасы  немесе оның генерациясы кезінде  оператормен орындала алады. Орындалуға түскен есеп не жалпы реттілікке, не бөлік реттілігіне орныға түседі.(13-ші сурет)

13-ші  сурет:  
а – жалпы реттілікпен; б – жекелеген реттіліктермен

Жадыны басқару жүйесі бұл ретте  келесі міндеттіліктерді орындайды:

• Орындалуға түскен бағдарлама көлемі мен бос өлшемдерді салыстыра отырып, қажетті бөлікті талғайды.
• Бағдарламаның қосылуы мен мекен-жайлардың сараптамасын жүргізеді.

Басымдылықта-орындалу жеңілділігінде- аталған тәсіл маңызды кемішілікке  –қатқылдылыққа ие. Осылайша бөлікте  жалғыз бағдарлама орындала алатындықтын, мультибағдарламаландыру деңгейі бағдарлама көлеміне тәуелсіз бөлік санымен алдын-ала шектеледі. Егер де бағдарлама көлемі кішігірім болса да, ол бүтін дерлік бөлікті қамтып алады. Ал бұл өз кезегінде жадының нәтижесіз қолданылуына алып келеді. Егер де машинаның оперативті жады көлемі қандай да бір бағдарламаны орындауға мүмкндік берсе де, жадыны бөліктерге бөлістіру мұндай әрекеттілікке жол бермейді.

Ауыспалы көлемді бөліктермен  жадыны бөлістіру

Бұл жағдайда машина жады алдын-ала  бөліктерге бөлінбейді. Алдымен бұкіл жады бос болады. Әрбір қайтара келіп түсетін есепке қажетті көлемде жады бөлінеді. Егер де қажетті жады көлемі болмаса, онда бағдарлама орындалуға кіріспей, реттілік құрады. Есептің орындалуы тамамдалған соң жады босап, оның орнына  басқа да есеп енгізілуі ықтимал. Осылайша кез-келген сәтте оперативті жады түрл көлемді бос және толған учаскелердің жиынтығы бейнесі ретінде көрінеді. Жадыны басқарудың Аталған тәсілін орындау барысындағы операционды жүйе міндеттілігі:

• Бастапқы мекен-жайлар мен жады учаскелерінің көлемі белгіленген бос және  толған облыс кестелерін жүргізу.
• Жаңа есеп – сұраныс сараптамасы түскен жағдайда жоғарыда аталып өткен кестені қаратырып, келген есепті орнықтыру
• Есепті оған бөлінген бөлікке енгізу мен бос және толған облыстар кестесін нақтыландыру.
• Еесптің аяқталуынан кейін бос және толған облыстар кестесін нақтыландыру.

Бағдарламалық код орындалу барысында  ауыстырылмаса, яғни бұл ретте ауыстырушы қосушы арқылы мекен-жайларды бір мезетте  жөнге келтіруімізге болады.

Қайтара келіп түскен есеп үшін бөлікті  талғау түрлі ережелер бойынша орындалуы  мүмкін, мысалы "қажетті көлемдегі  назарға алғаш түске бөлік ", немесе "қажеттіден аз көлемі бар  бөлік ", я болмаса  "қажеттіден көп көлемі бар бөлік " ережелері. Бұл ережелердің барлығы өзіндік басымдылықтар мен кемшіліктерге ие.

Жадыны фиксирленген бөліктермен  бөлістіру тәсілімен салыстырғанда  аталған тәсіл өте қолайлы, дегенмен маңызды дерлік кемшілігі бар -  жады фрагменттенуі. Фрагменттену, яғни бөлшектену – бұл бос жадының өте кіші мөлшерлі  ұқсас келмейтін учаскелерінің көп болуы. Жады көлемінің кішігінір болары соншалық, тіпті қайтара келіп түсетін бағдарламалар фрагменттердің сомалық көлемі  талап етілетін жады көлемінен біршама көп болса да бірде-бір учаскеге толассымайды, 

Орын алмастырушы бөліктер

Фрагменттелуге  қарасты күрестің бірде-бір тәсілі – барлық толған учаскелерді бос  жады бүтін бос облысты қамтитындай  жас не байырғы мекен-жайлар учаскелеріне алмастыру қажет (13-ші сурет). Жадыны орын алмастырушы бөліктермен бөлістіретін ОЖ негізгі қызметтіліктеріне қосымша – аталған жағдайда ол бос және толған облыстар кестесін нақтылай отырып бөлік құрамын бір орнынан екіншісіне көшіріп отыруы міндет. Аталған шара "ығыстыру" деп аталынады. Ығыстыру тәсілі не есептің тамамдалуы кезінде, не келіп түскен есепке қажетті бос жады қалмаған кезде орындала алады. Алғашқы жағдайда кестелерді нақтыландыру барысында есептеу жұмыстарының аз көлемі талап етіледі, екінші жағдайда – ығыстыру шарасы сирек орындалады. Осылайша бағдарламалар орындалу барысында оперативті жады бойынан орын алмастырып, мекен-жайлардың виртуалдықтан физикалыққа түрленуі динамикалық түрде орындалып отырады.

13-ші  сурет

Ығыстыру тәсілі  жадының барынша  нәтижелі қолданылуына алып келсе де, ол аталған тәсілдің басымдылықтарын асып өтетіндей біршама уақыттың қолданылуын талап етеді.

Диск кеңістігін қолданыла отырып жадыны бөлістіру тәсілдері

Виртуалды жады түсінігі

Тұтынушылар бағдарлама жады қолданыстағы бос жады көлемінен асып түсетін  ахуалмен кездесуі таңданарлық жайт емес. Шешім ретінде бағдарламаны оверлеялар деп аталынатын бөліктерге бөлістіру тәсілі қарастырылды. 0-дік оверлей алғашқы орындалуға төнді. Қызметін тамамдаған соң ол келесі ретте тұрған оверлейге орындалу ретін табыстайды. Барлық оверлеялар дискіде сақталынып, диск пен жады арасынан операционды жүйе құралдарымен орын алмастырып отырды. Дегенмен бағдарламаны бөліктерге бөлу мен олардың оперативті жадыға енуін программист орындауы қажет.

Аталған бағытта есептеуіш үрдісті  ұйымдастыру тәсілдерін дамыту виртуалды жады деп аталынатын жаңа тәсілдің пайда болуына түрткі болды. Виртуалды жады – тұтынушыларға көлемі қолданыстағы оперативті жады көлемінен асып түсетін бағдарламаларды жазуға мүмкіндік беретін бағдарлама-аппараттық құралдардың жиынтығы; аталған мақсатта виртуалды жады келесі міндеттіліктерді орындайды:

• Түрлі есте сақтау құрылғыларына деректерді орнықтырады, мысалға бағдарлама жартысы - оперативті жадыда, жартысы – дискіде.
• Қажетті жағдайда түрлі есте сақтау құрылғылары арасында деректердің орнын ауыстырады, мысалға, бағдарламаның қажетті бөлігін дискіден оперативті жадыға орнықтырады.
• Виртуалды мекен-жайларды физикалыққа түрлендіреді.

Аталған әрекеттердің барлығы автоматты түрде орындалып, программист көмегін қажет етпейді, яғни выиртуалды жады механизмі тұтынушыға қарасты мөлдір болады.

Виртуалды жадыны қолданылудың кеңінен  таралған орындаулары – жадыны парақтық, сегменттік және парақтық-сегменттік бөлістіру мен свопинг болып  табылады.

Парақтық бөлістіру

Жадыны парақтық бөлістіру сызбанұсқасы бейнеленген. Әрбір үрдістің виртуалды мекен-жай кеңістігі виртуалды парақтар делінетін аталған жүйе мөлшерінің тең, фиксирленген бөліктеріне бөлінеді. Жалып жағдайда, виртуалды мекен-жай кеңістігінің көлемі парақ көлеміне тең келмейді, сондықтан да әрбір үрдістің соңғы парағы фиктивті, я болмаса жалған облыстармен толыға түседі.

Машинаның бүтін дерлік оперативті жадысы физикалық блоктар делінетін  тең көлемді бөліктерге бөлінеді. Парақ өлшемі екілік дәрежесіне тең  тұрғыда талғанады: 512, 1024 жыне тағы да басқалары. Бұл мекен-жайлардың түрлену үрдістерін жеңілдетуге ықпал етеді.

Үрдістің қосылуы барысында  оның виртуалды парақтарының теңдей бөлігі оперативті жадыға, ал қалғандары – дискіге орнығады. Ұқсас виртуалды  парақтардың ұқсас физикалық  парақтарды орнығуы міндет емес. Қосылу барысында операционды жүйе әрбір үрдіске тиесілі ақпараттық құрылымды қалыптастырады. Ол оперативті жадыға енгізілген парақтардың виртуалды және физикалы парақтарының кнөмерлерінің сәйкестілігі нақтыланатын парақтар кестесі. Одан өзге парақтар кестесінде парақтың модификация белгілері, іске қосылмау белгісі, және виртуалды жады механизмімен қолданылатын өзге де деректер іспеттес басқарушы ақпараттар болады.

Үрдісті процессордың арнайы тіркелімдемесіне белсендіру барысында аталған үрдістің парақтар кестесі іске қосылады.

Әрбір жадыға төну кезінде сұраныс  салған виртуалды жады жөніндегі  ақпарат парақтар кестесінен оқыла  бастайды. Егер де аталған виртуалды  парақ оперативті жадыда орнықса, онда виртуалды мекен-жайдың физикалыққа түрленуі орындалады. Ал егер қажетті виртуалды парақ дискіге көшірілсе, онда парақтық үзілістің болуы ықтимал. Орындалудағы үрдіс кідіріс жағдайына алмастырылып, дайын үрдістер реттлігіндегі келесі үрдіс белсендіріледі. Параллелді тұрғыда парақтық үзілістің өңдеу бағдарламасы дискіде қажетті виртуалды парақты іздестіріп, оны оперативті жадыға көшіруге тырмысады. Егер жадыда бос физикалық парақ бола жатса, онда қосылу дәл сол мезетте орындалады, кері жағдайда – оперативті жадыдан қандай парақты қосу қажеттіліг талқыланады.

 

14-ші сурет.

 

Аталған жағдайда түрлі құрамды  критерийлердің біршама бөлігі қолданылуы мүмкін, мысалға:

• Ең ұзақ қолданысқа төнбеген парақ
• Алғаш көзге түскен парақ
• Соңғы уақытта төнулер аз болған парақтар

Жадыны парақтық бөлістіру кезіндегі виртуалды мекен-жайдың физикалыққа түрлену механизмін қарастыралық (14-ші сурет).

Жадыны  парақтық бөлістіру кезіндегі виртуалды  мекен-жайдың физикалыққа түрлену  механизмі

 

Парақтық бөлістіру кезінде  виртуалды мекен-жай жұп түрінде берілуі мүмкін, мұндағы (p, s) p – үрдістің виртуалды парақ нөмірі (парақтардың нөмірленуі 0-ден басталады), ал s – виртуалды парақ шегінде орын алмастыру. Парақ өлшемі 2 тең екендігін ескере отырып, к дәрежесінде   s орын алмастыруы  кіші разрядты k виртуалды мекен-жайдың екілік бөлігінде бөлістірудің қапарайым тәсілімен орындалуы мүмкін. Қалған разрядтар р парағының екілік жазбасын бейнелейді.

Аппараттық құралдармен оперативті жадыға төну барысында келесі әрекеттіліктер орындалады:

1. парарқар кестесінің бастапқы мекен-жайлары (парақтар кесесінің тіркелімдеме құрамы, виртуалды парақ нөмірлері (үлкен виртуалды мекен-жай разрядтары), парақтар кестесіндегі жазба ұзақтығы (жүйелі константа, яғни тұрақтылық ) негізінде кестедегі қажетті жазбаның мекен-жайы анықталады.
2. Аталған жазбадан физикалық парақтың нөмірі алынады.
3. физикалық парақ нөміріне орын алмастыру қосылады (виртуалды мекен-жайлардың кіші разрядтары).

Жадының парақтық ұйымдастырылуы бар  жүйе өнімділігіне парақтық үзілістер  мен виртуалды мекен-жайдың физикалыққа  түрленуіне жұмсалған уақыттық шығындар ықпал етеді. Жиі қайталанатын парақтық үзілістерде жүйе парақтар свопингіне біршама уақытты бос кетіруі мүмкін. Прақтық үзілістердің жиілігін қысқарту мақсатында парақ көлемін ұлғайтуымызға болады. Одан өзге, парақ көлемін ұлғайту – парақтар кестесінің көлемін кішірейтіп, жады шығындарын да қысқартады. Басқа жағынан, егер де парақ ауқымды болса, яғни әрбір бағдарламаның виртуалды жадындағы фиктивті, яғни жалған облыс та ұлғая түседі деген сөз. Виртуалды мекен-жайдың физикалыққа түрлену уақыты – парақтар кестесіне қол жеткізу уақыты дәрежесімен анықталады. Осыған орайлас, парақтар кестесін "жылдам" есте сақтағыш құралдарына сақтауға әрекеттенеді.  Бұл мысалға, қол жеткізу уақыты, ассоциативті іздестіру мен деректерді кэширлеу уақытын қысқарту мақсатында қолданылатын арнайы тіркелімдемелер мен жады жиынтығы болуы мүмкін.