Czy uruchomić komputer bez pamięci RAM? [duplikować]

Czytałem o czasie pobierania procesora , gdzie stwierdziłem, że procesory potrzebują dużo mniej czasu na dostęp do danych z pamięci RAM w porównaniu z dostępem do dysku twardego, i że pamięć RAM jest dostępna do przechowywania informacji i danych wykonującego programu.

Potem zastanawiałem się, co się stanie, gdy użyjemy tylko dysku twardego, ale bez pamięci RAM?

W pewnym momencie pojawia się pytanie, co nawet liczy się jako „RAM”. Istnieje wiele procesorów i mikrokontrolerów, które mają mnóstwo wbudowanej pamięci do uruchamiania małych systemów operacyjnych bez oddzielnych układów RAM. W rzeczywistości jest to stosunkowo powszechne w świecie systemów wbudowanych. Tak więc, jeśli chodzi ci tylko o to, że nie masz żadnych oddzielnych układów RAM, możesz to zrobić z wieloma obecnymi układami, zwłaszcza tymi zaprojektowanymi dla świata osadzonego. Zrobiłem to sam w pracy. Ponieważ jednak jedyną prawdziwą różnicą między adresowalną pamięcią wewnętrzną i oddzielnymi układami pamięci RAM jest tylko lokalizacja (i, oczywiście, opóźnienie), całkowicie rozsądne jest uznanie pamięci na chipie za pamięć RAM. Jeśli liczysz to jako pamięć RAM, liczba obecnych,

Jeśli masz na myśli normalny komputer, nie możesz go uruchomić bez podłączonych oddzielnych pamięci RAM, ale tylko dlatego, że BIOS nie jest zaprojektowany, aby uruchamiać się bez zainstalowanej pamięci RAM (to z kolei dlatego, że wszystkie nowoczesne systemy operacyjne na PC wymagają pamięci RAM do uruchomienia, zwłaszcza, że ​​maszyny x86 zazwyczaj nie pozwalają bezpośrednio adresować pamięci na chipie; jest używana wyłącznie jako pamięć podręczna).

Wreszcie, jak powiedział Zeiss, nie ma teoretycznego powodu, dla którego nie można zaprojektować komputera do pracy bez pamięci RAM, oprócz kilku rejestrów. Pamięć RAM istnieje wyłącznie dlatego, że jest tańsza niż pamięć na chipie i znacznie szybsza niż dyski. Współczesne komputery mają hierarchię pamięci, od dużych, ale powolnych po bardzo szybkie, ale małe. Normalna hierarchia wygląda mniej więcej tak:

• Rejestry - bardzo szybkie (mogą być obsługiwane bezpośrednio przez instrukcje procesora, zazwyczaj bez dodatkowych opóźnień), ale zwykle bardzo małe (64-bitowe rdzenie procesorów x86 mają na przykład tylko 16 rejestrów ogólnego przeznaczenia, z których każdy może przechowywać pojedynczy 64-bitowy numer.) Rozmiary rejestrów są na ogół małe, ponieważ rejestry są bardzo drogie na bajt.
• Pamięć podręczna procesora - nadal bardzo szybka (często opóźnienie 1–2 cykli) i znacznie większa niż rejestry, ale wciąż znacznie mniejsza (i znacznie szybsza) niż normalna pamięć DRAM. Pamięć podręczna procesora jest również znacznie droższa na bajt niż pamięć DRAM, dlatego zwykle jest znacznie mniejsza. Ponadto wiele procesorów faktycznie ma hierarchie nawet w pamięci podręcznej. Zwykle mają mniejsze, szybsze pamięci podręczne (L1 i L2) oprócz większych i wolniejszych pamięci podręcznych (L3.)
• DRAM (co większość ludzi uważa za „RAM”) - Znacznie wolniej niż pamięć podręczna (opóźnienie dostępu to zwykle dziesiątki do setek cykli zegara), ale znacznie tańsze na bajt, a zatem zwykle znacznie większe niż pamięć podręczna. Pamięć DRAM wciąż jest jednak wiele razy szybsza niż dostęp do dysku (zwykle setki do tysięcy razy szybszy).
• Dyski - znowu są one znacznie wolniejsze niż DRAM, ale generalnie znacznie tańsze na bajt, a zatem znacznie większe. Ponadto dyski są zwykle nieulotne, co oznacza, że ​​umożliwiają zapisywanie danych nawet po zakończeniu procesu (a także po ponownym uruchomieniu komputera).

Zauważ, że cały powód hierarchii pamięci to po prostu ekonomia. Nie ma teoretycznego powodu (przynajmniej w dziedzinie informatyki), dlaczego nie mogliśmy mieć terabajtu nieulotnych rejestrów na matrycy procesora. Problem polega na tym, że jego budowa byłaby niesamowicie trudna i droga. Posiadanie hierarchii, od niewielkich ilości bardzo drogiej pamięci po duże ilości taniej pamięci, pozwala nam utrzymać duże prędkości przy rozsądnych kosztach.

Byłoby teoretycznie możliwe zaprojektowanie komputera do pracy z bardzo niewiele (o wartości kilku rejestry) lub brak pamięci RAM (spojrzeć na definicję maszynie Turinga - który w rzeczywistości może być skonstruowany w odpowiednio dużej / szybkiego wdrożenia Conwaya Życia symulacja).

Powodem, dla którego wszystkie komputery w świecie rzeczywistym korzystają z pamięci RAM, jest po pierwsze: pamięć rdzeniowa (prototyp pamięci RAM, tylko częściowo nieulotna) znacznie wyprzedza pamięć masową, taką jak bęben magnetyczny lub dysk (chociaż pojawiła się po kartach perforowanych i taśmie papierowej - pierwsza z nich pochodzi w prymitywnej formie z 1801 r. (tak, początek XIX wieku; krosna żakardowe używały kart dziurkowanych, aby automatycznie wyplatać wzór koloru o dowolnej złożoności dziesięcioleci, zanim nawet silniki różnicowe Babbage'a lub tabulatory Holleritha); po drugie , Pamięć RAM (podobnie jak pamięć rdzenia), ponieważ jest elektroniczna, jest znacznie szybsza niż jakiekolwiek urządzenie, które polega na fizycznym ruchu nośnika pamięci w celu przedstawienia danych mechanizmowi odczytu / zapisu.

System lub złożoność podobna do współczesnego komputera z systemem Windows lub Linux działającego bez pamięci RAM (podobnie jak w prawdziwej maszynie Turinga) zajęłoby kilka dni, a aktualizacja godzin graficznego interfejsu graficznego przy współczesnych rozdzielczościach zajęłaby kilka godzin. Nawet tekstowy system operacyjny porównywalny do CP / M lub wczesnych wersji DOS zajmie bardzo dużo czasu, zanim dotrze do początkowego wiersza polecenia.

Możesz, ponieważ kiedy uruchamia się procesor x86, pamięć podręczna L2 jest początkowo pamięcią SRAM, zanim zostanie użyta jako pamięć podręczna. Możesz więc pisać własne biosy, aby nie inicjalizować pamięci RAM i używać tylko niewielkiej ilości pamięci SRAM w procesorze jako pamięci RAM, a nie pamięci podręcznej L2 / L3.

Wystarczy przeczytać wytyczne BIOS-u od producentów procesorów.

WSZYSTKIE nowoczesne, standardowe, uniwersalne procesory zasadniczo działają w następujący sposób:

• CPU utrzymuje rejestr, który wskazuje w swojej przestrzeni adresowej na następną instrukcję
• Procesor pobiera wszystko, co znajduje się w tej przestrzeni adresowej i rejestruje przyrosty
• Jeśli instrukcja wymaga dodatkowych informacji, takich jak adres docelowy lub inny argument, jest również pobierana
• CPU wykonuje instrukcje
• Jeśli instrukcja jest skokiem, wywołaniem, powrotem, powrotem z przerwania lub rozgałęzieniem, może zmodyfikować rejestr wskazujący następną instrukcję.
• Powtarzać

Procesor pobiera wszystko, co znajduje się w tej przestrzeni adresowej i rejestruje przyrosty

Co może „żyć” w przestrzeni adresowej?

• Nic (może zwrócić zera, losowe dane lub spowodować zablokowanie procesora)
• RAM (RAM płyty głównej, RAM z urządzenia PCI, takiego jak karta graficzna itp.)
• ROM
• Rejestry urządzenia we / wy (obejmuje to „wewnętrzne urządzenia we / wy”, takie jak lokalny APIC procesora)
• Nowoczesne procesory pozwalają na „buforowanie jako RAM”, więc część pamięci podręcznej procesorów może pojawić się w przestrzeni adresowej

Uwaga: „dysku twardego” nie ma na tej liście. Dysk twardy nie jest bezpośrednio podłączony do procesora. Dane przychodzą i wychodzą z dysku twardego za pośrednictwem urządzenia we / wy (adaptera hosta SATA) podłączonego do procesora.

Urządzenie I / O używa DMA do ładowania / zapisywania danych na / z dysku twardego. Oznacza to, że urządzenie we / wy bezpośrednio odczytuje / zapisuje samą pamięć RAM - bez interwencji procesora - a także zależy od obecności pamięci RAM. Ale jeśli dane nie zostały załadowane do pamięci RAM przez urządzenie we / wy, procesor nie ma szans na ich zobaczenie.

Dlatego nie możesz mieć instrukcji pobierania CPU bezpośrednio z dysku twardego.

To, co dzieje się podczas błędu strony, to:

• Procesor próbuje uzyskać dostęp do strony pamięci oznaczonej jako zamieniona w lokalnych tabelach stron procesora (które są zawsze obecne w pamięci RAM).
• Ten dostęp powoduje wyjątek błędu strony w CPU.
• Procesor, teraz w trybie jądra, patrzy na stronę, do której inny proces próbował uzyskać dostęp.
• Jądro zauważa, że ​​proces użytkownika próbuje uzyskać dostęp do zamienionej strony i wywołuje normalny proces we / wy, aby zamienić tę stronę z powrotem z dysku. Jest to ten sam proces, który zostałby zastosowany podczas ładowania / zapisywania innych danych z dysku. Nie inaczej jest tylko dlatego, że procesor stronicuje w zamienionej pamięci.
• Procesor następnie kontroluje ręce z powrotem do przerwanego procesu, który trwa tak, jakby nic się nie wydarzyło.

Tak więc procesor potrzebujący pobrać dane z dysku, ponieważ pamięć jest zamieniona, nie jest inaczej.

Komputer osobisty wymaga pamięci RAM do uruchomienia. Każda aplikacja uruchomiona z dysku twardego zostanie najpierw skopiowana do pamięci RAM przed uruchomieniem.

Więc jeśli nie masz pamięci RAM w komputerze, komputer się nie uruchomi, prawdopodobnie wyda kilka sygnałów ostrzegawczych, aby poinformować, że nie ma zainstalowanej pamięci RAM.

Komputer się nie uruchomi. Pamięć RAM jest istotną częścią udanego postu z płyty głównej. Gdy pamięć RAM nie jest obecna lub jest uszkodzona, wiele płyt głównych zwykle podaje kody dźwiękowe wskazujące, gdzie szukać rozwiązania problemu.

W rzeczywistości można w co najmniej dwóch przypadkach uruchomić komputer bez pamięci RAM

1. Pierwsze stare mechaniczne „komputery” (konstrukcja Konrada Zuse'a i komputer Charlesa Babbage'a były urządzeniami mechanicznymi bez pamięci RAM, nadal są nazywane komputerami)

2. Nowoczesny komputer bez pamięci RAM i tylko procesor (układ) z rejestrami . W większości przypadków masz SRAM (pamięć podręczną) na procesorze, ale najszybsza pamięć komputera nazywa się rejestrami znajdującymi się na chipie, a technicznie rejestry na chipie nie są RAM.

Po prostu się nie uruchomi. Płyta główna najprawdopodobniej wyda dźwięk w nietypowy sposób i wyłączy się. Jeśli nie masz wystarczającej ilości pamięci RAM, nawet 128 MB dla systemu Windows XP, program odmówi instalacji (faktycznie próbował tego na starym komputerze; jeden z układów nie został poprawnie umieszczony). Tak więc przy obecnych ustawieniach jest to niemożliwe. Nawet jeśli można wyłączyć sprawdzanie płyty głównej, procesor nie może odczytać danych bezpośrednio z dysku twardego i potrzebuje pamięci RAM do każdej operacji.

Sądzę, że teoretycznie możliwe byłoby zbudowanie maszyny, która zużywa niewiele pamięci RAM lub nie ma jej wcale, ale byłaby nieefektywna.