І. Характеристики систем памяти

Память

В любой BM вне зависимости от ее архитектуры, программы и данные хранятся в памяти. Функции памяти обеспечиваются запоминающими устройствами (ЗУ).

ЗУ предназначены для фиксации, хранения и выдачи информации в процессе работы ВМ.

Процесс фиксации информации в ЗУ называется записью, процесс вы­дачи информации — чтением или считыванием, а совместно их определяют как процессы обращения к ЗУ.

Память является одним из основных элементов любой вычислительной системы. Элементы памяти в том или ином виде присутствуют в каждом конструктивном модуле PC.

Характеристики элементов оперативной памяти определяют быстродействие всей системы. Без этих элементов работа PC просто невозможна.

Оперативная память — временная память, т. е. данные хранятся в ней только до выключения PC.

Для долговременного хранения информации служат дискеты, винчестеры, компакт-диски и т. п.

Конструктивно они выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить (скорее всего, увеличить) объем оперативной памяти PC.

Память делится на:

динамическую: асинхронная и синхронная;

статическую: асинхронная и синхронная;

энергозависимую: непрограммируемая и программируемая.

Чтобы CPU мог выполнять программы, они должны быть загружены в оперативную рабочую память, т. е. в память, доступную для программ пользователя.

К данным, находящимся в оперативной памяти {Random Access Memory, RAM — память с произвольным доступом), CPU имеет непосредственный доступ, а к периферийной или внешней памяти (гибким и жестким дискам) — через буфер, являющийся также разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю. Только после того как программа будет загружена в RAM с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая ее работа.

Время доступа к данным, находящимся в RAM, чрезвычайно мало.

Пример. Пусть время доступа к памяти составляет порядка 200 нс, в то время как время доступа к данным на жестком диске составляет 12 000 000 нс. Если предположить, что 1 нс равна 1 с, то время обращения к памяти составит 3,3 мин, а время обращения к жесткому диску — 4,5 месяца.

Недостаток оперативной памяти - при отключении питания оперативная память полностью очищается, и данные, не записанные на внешний носитель, будут потеряны.

Основная задача RAM — предоставлять по требованию CPU необходимую информацию. Это означает, что данные в любой момент должны быть доступны для обработки.

Оперативная память относится к категории динамической памяти: ее содержимое остается неизменным в течение очень короткого промежутка времени, поэтому память должна периодически обновляться.

Запоминающим элементом динамической памяти является полупроводниковый конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая 1, если разряжен — логический 0. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неограниченное время. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому информация, записанная в динамическую память, со временем будет утрачена, т. к. конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся.

Специальная логическая схема компенсирует ток утечки. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh).

CPU имеет доступ к данным находящимся в RAM только в течение циклов свободных от регенерации.

Пример. Чтобы пояснить этот процесс, представим элемент памяти как ведро с водой, которое может быть либо пустым (состояние 0), либо полным (состояние 1). Однако в этом ведре имеются такие маленькие дырки, что вода (информация) вытекала бы по капле, если бы "водоносу" не было поручено компенсировать убыток воды (данных) так, чтобы уровень ее оставался неизменным. Деятельность "водоноса" имеет огромное значение, поэтому ему нельзя мешать.

Единственным способом регенерации хранимой в памяти информации является выполнение операции чтения/записи данных. Если информация заносится в динамическую память, а затем в течение нескольких миллисекунд остается невостребованной, она будет утрачена, т. к. конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся.

Регенерация памяти происходит при выполнении каждой операции чтения или записи. Однако нет гарантии, что при выполнении любой программы произойдет обращение ко всем ячейкам памяти, поэтому имеется специальная схема, которая через определенные промежутки времени (например, каждые 2 мс) будет осуществлять доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты CPU находится в состоянии ожидания. За один цикл схема регенерирует все строки динамической памяти.

І. Характеристики систем памяти

Перечень основных характеристик, которые необходимо учитывать, рассматривая конкретный вид ЗУ, включает в себя:

1. Место расположения. По месту расположения ЗУ разделяют на процессорные, внутренние и внешние. Наиболее скоростные виды памяти (регистры, кэш-память первого уровня) обычно размещают на общем кристалле с центральным процессором, а регистры общего назначения вообще считаются частью ЦП. Вторую группу (внутреннюю память) образуют ЗУ, расположенные на системной плате. К внутренней памяти относят основную память, а также кэш-память второго и последующих уровней (кэш-память второго уровня может также размещаться на кристалле процессора). Медленные ЗУ большой емкости (магнитные и оптические диски, магнитные ленты) называют внешней памятью, поскольку к ядру ВМ они подключаются аналогично устройствам ввода/вывода.

2. Емкость. Емкость ЗУ характеризуют числом битов либо байтов, которое может храниться в запоминающем устройстве.

Основной единицей памяти является двоичный разряд, который называется битом. Бит может содержать 0 или 1. Эта самая маленькая единица памяти.

Считается, что некоторые компьютеры, например большие IBM, используют и десятичную, и двоичную арифметику. На самом деле здесь применяется так называемый двоично-десятичный код. Для хранения одного десятичного разряда используется 4 бита. Эти 4 бита дают 16 комбинаций для размещения 10 различных значений (от 0 до 9). При этом 6 оставшихся комбинаций не используются. Ниже показано число 1944 в двоично-десятичной и чисто двоичной системах счисления; в обоих случаях используется 16 битов:

десятичное: 0001 1001 0100 0100 двоичное: 0000011110011000

16 битов в двоично-десятичном формате могут хранить числа от 0 до 9999, то есть всего 10000 различных комбинаций, а 16 битов в двоичном формате — 65536 комби­наций. Именно по этой причине говорят, что двоичная система эффективнее.

Память состоит из ячеек, каждая из которых может хранить некоторую порцию информации. Каждая ячейка имеет номер, который называется адресом. По адре­су программы могут ссылаться на определенную ячейку. Если память содержит n ячеек, они будут иметь адреса от 0 до n-1. Все ячейки памяти содержат одинако­вое число битов. Если ячейка состоит из k битов, она может содержать любую из 2^k комбинаций. Соседние ячейки по определению имеют последовательные адреса.

В компьютерах, где используется двоичная система счисления (включая восьме­ричное и шестнадцатеричное представление двоичных чисел), адреса памяти также выражаются в двоичных числах.

Если адрес состоит из m битов, максималь­ное число адресованных ячеек будет составлять 2^m.

Ячейка — минимальная единица, к которой можно обращаться.

В последние годы практически все производители выпускают компьютеры с 8-битными ячей­ками, которые называются байтами. Байты группируются в слова. Компьютер с 32-битными словами имеет 4 байта на каждое слово, а компьютер с 64-битными словами — 8 байтов на каждое слово. Такая единица, как слово, необходима, по­скольку большинство команд производят операции над целыми словами (напри­мер, складывают два слова). Таким образом, 32-битная машина будет содержать 32-битные регистры и команды для манипуляций с 32-битными словами, тогда как 64-битная машина будет иметь 64-битные регистры и команды для перемеще­ния, сложения, вычитания и других операций над 64-битными словами.

На практике применяются более крупные единицы, а для их обозначения к словам «бит» или «байт» добавляют приставки: кило мera, гига, тера, пета, экза (kilo, mega, giga, tera, peta, exa). Стандартно эти приставки означают умножение основgой единицы измерений на 10³, 10⁶, 10⁹, 10¹², 10¹⁵ 10¹⁸ соответственно. В вычислительной технике, ориентированной на двоичную систему счисления, они соответствуют значениям достаточно близким к стандартным, но представляющим собой целую степень числа 2, то есть 2¹⁰, 2²⁰,2³⁰,2⁴⁰, 2⁵⁰, 2⁶⁰. Во избежание разночтений, в последнее время ведущие международные организации по стандартизации, например IEEE (Institute of Electrical and Electrical and Electronics Engineers), предлагают ввести новые обозначения, добавив к ним слово binary (бинарный): kilobinary, megabinary, gigabinary, terabinary, petabinarу, exabinary. В результате вместо термина «килобайт» предлагается термин «кибибайт», вместо «мегабайт» — «мебибайт» и т. д. Для обозначения новых единиц пред адются сокращения: Ki, Mi, Gi, Ti, Pi и Ei

3. Единица пересылки. Для основной памяти (ОП) единица пересылки определяется шириной шины данных, то есть количеством битов, передаваемых по линиям шины параллельно. Обычно единица пересылки равна длине слова, но не обязательно. Применительно к внешней памяти, данные часто передаются единицами, превышающими размер слова, и такие единицы называются блоками.

4. Метод доступа. Различают четыре основных метода доступа:

Последовательный доступ. ЗУ с последовательным доступом ориентировано на хранение информации в виде последовательности блоков данных, называемых записями.

Для доступа к нужному элементу (слову или блоку) необходимо прочитать все предшествующие ему данные. Время доступа зависит от положения требуемой записи в последовательности записей на носителе информации и позиции элемента внутри данной записи. Примером может служить ЗУ на магнитной ленте.

Прямой доступ. Каждая запись имеет уникальный адрес, отражающий ее физическое размещение на носителе информации. Обращение осуществляется как адресный доступ к началу записи, с последующим последовательным доступом к определенной единице информации внутри записи. В результате время доступа к определенной позиции является величиной переменной. Такой режим характерен для магнитных дисков.

Произвольный доступ. Каждая ячейка памяти имеет уникальный физический адрес. Обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может производиться в произвольной очередности. Примером могут служить запоминающие устройства основной памяти.

Ассоциативный доступ. Этот вид доступа позволяет выполнять поиск ячеек содержащих такую информацию, вкоторой значение отдельных битов совпадает с состоянием одноименных битов в заданном образце. Сравнение осуществляется параллельно для всех ячеек памяти, независимо от ее емкости. По ассоциативному принципу построены некоторые блоки кэш-

5. Быстродействие. Быстродействие ЗУ является одним из важнейших его показателей. Для количественной оценки быстродействия обычно использую три параметра:

время доступа (Т_Д). Для памяти с произвольным доступом оно соответствует интервалу времени от момента поступления адреса до момента, когда данные заносятся в память или становятся доступными. В ЗУ с подвижным носителем информации - это время, затрачиваемое на установку головки записи/считывания (или носителя) в нужную позицию

длительность цикла памяти или период обращения (Т_Ц). Понятие применяется к памяти с произвольным доступом, для которой оно означает минимальное время между двумя последовательными обращениями к памяти Период обращения включает в себя время доступа плюс некоторое дополнительное время. Дополнительное время может требоваться для затухания сигналов на линиях, а в некоторых типах ЗУ, где считывание информации приводит к ее разрушению, - для восстановления считанной информации.

Скорость передачи. Это скорость, с которой данные могут передаваться в память или из нее. Для памяти с произвольным доступом она равна 1/Т_Ц. Для других видов памяти скорость передачи определяется соотношением:

где T_N - время считывания или записи N битов;

T_A — среднее время доступа,

R — скорость пересылки в битах в секунду.

5. Физический тип. Говоря о физическом типе запоминающего устройства, необходимо упомянуть три наиболее распространенных технологии ЗУ — это полупроводниковая память; память с магнитным носителем информации, используемая в магнитных дисках и лентах; и память с оптическим носителем — оптические диски

6. Физические особенности. В зависимости от примененной технологии следует учитывать и ряд физических осо6енностей ЗУ, например, энергозависимость. В энергозависимой памяти информация может быть искажена или потеряна при отключении источника питания. В энергонезависимых ЗУ записанная информация сохраняется и при отключения питающею напряжения. Магнитная и оптическая память — энергонезависимы. Полупроводниковая память может быть как энергозависимой, так и нет, в зависимости от ее типа. Помимо энергозависимости нужно учитывать, приводит ли считывание информации к ее разрушению.

6. Стоимость. ЗУ принято оценивать отношением общей стоимости ЗУ к его емкости в битах – стоимостью хранения одного бита информации.

ІІ. Иерархия памяти

Память часто называют «узким местом» фон-неймановских машин из-за ее серьезного отставания в быстродействии от процессора. Причем этот разрыв неуклонно увеличивается.

Если проанализировать используемые в настоящее время типы ЗУ, выявляется следующая закономерность:

чем меньше время доступа, тем выше стоимость хранения бита;

чем больше емкость, тем ниже стоимость хранения бита, но больше время доступа.

При создании системы памяти постоянно приходится решать задачу обеспечения требуемой емкости и высокого быстродействия за приемлемую цену. Наиболее распространенным подходом здесь является построение системы памяти ВМ по иерархическому принципу.

Иерархическая память состоит из ЗУ различных типов (рисунок «Иерархия запоминающих устройств»), которые, в зависимости от характеристик, относят к определенному уровню иерархии.

Более высокий уровень меньше по емкости, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на бит, чем более низкий уровень.

Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут бы найдены на следующем нижележащем уровне и т д.

Четыре верхних уровня иерархии образуют внутреннюю память ВМ, а все нижние уровни — это внешняя или вторична память. По мере движения по иерархической структуре:

1. уменьшается соотношение «стоимость/бит»

2. возрастает емкость

3. растет время доступа

4. уменьшается частота обращения к памяти со стороны центрального процессора.

Если память организована в соответствии с пунктами 1-3, а характер размещения в ней данных и команд удовлетворяет пункту 4, иерархическая организация ведет к уменьшению общей стоимости при заданном уровне производительности.

Справедливость этого утверждения вытекает из принципа локальности по обращению.

Если рассмотреть процесс выполнения большинства программ, то нужно заметить, что с очень высокой вероятностью адрес очередной команды программы либо следует непосредственно за адресом, по которому была считана текущая команда, либо расположен вблизи него. Такое расположение адресов называется пространственной локальностью программы.

Обрабатываемые данные, как правило, структурированы, и такие структуры обычно хранятся в последовательных ячейках памяти. Данная особенность программ называется пространственной локальностью данных.

Кроме того, программы содержат множество небольших циклов и подпрограмм. Это означает, что небольшие наборы команд могут многократно повторяться в течение некоторого интервала времени, то есть имеет место временная локальность.

Все три вида локальности объединяет понятие локальностъ по обращению. Принцип локальности часто облекают в численную форму и представляют в виде так называемого правила «90/10»: 90% времени работы программы связано с доступом к 10% адресного пространства этой программы.

Из свойства локальности вытекает, что программу разумно представить в виде последовательно обрабатываемых фрагментов — компактных групп команд и данных. Помещая такие фрагменты в более быструю память, можно существенно снизить общие задержки на обращение, поскольку команды и данные, будучи один раз переданы из медленного ЗУ в быстрое, затем могут использоваться многократно, среднее время доступа к ним в этом случае определяется уже более быстрым ЗУ. Это позволяет хранить большие программы и массивы данных на медленных, емкиx, но дешевых ЗУ, а в процессе обработки активно использовать сравнительно небольшую быструю память, увеличение емкости которой сопряжено с высокими затратами.

На каждом уровне иерархии информация разбивается на блоки, выступающие в качестве наименьшей информационной единицы, пересылаемой между двумя соседними уровнями иерархии. Размер блоков может быть фиксированным либо переменным. При фиксированном размере блока емкость памяти обычно кратна его размеру. Размер блоков на каждом уровне иерархии чаще всего различен и увеличивается от верхних уровней к нижним.

При доступе к командам и данным, например, для их считывания_, сначала производится поиск в памяти верхнего уровня. Факт обнаружения нужной информации называют попаданием (hit), в противном случае говорят о промахе (miss). При промахе производится поиск в ЗУ следующего, более низкого уровня, где также возможны попадание или промах. После обнаружении необходимой информации выполняется последовательная пересылка блока, содержащего искомую информацию, с нижних уровней на верхние. Независимо от числа уровней иерархии пересылка информации может осуществляться только между двумя соседними уровнями.

При эффективной оценке подобной организации памяти используются следующие характеристики:

коэффициент попаданий (hit rate) — отношение числа обращений к памяти, при которых произошло попадание, к общему числу обращений к 3У данного уровня иерархии;

коэффициент промахов (miss rate) — отношение числа обращений к памяти, при которых имел место промах, к общему числу обращений к ЗУ данного уровня 1 иерархии;

время обращения при попадании (hit time) — время, необходимое для поиска нужной информации в памяти верхнего уровня (включая выяснение, является ли обращение попаданием), плюс время на фактическое считывание данных;

потери на промах (miss penalty) — время, требуемое для замены блока в памяти более высокого уровня на блок с нужными данными, расположенный в ЗУ следующего (более низкого) уровня. Потери на промах включают в себя: время доступа (access time) — время обращения к первому слову блока при промахе и время пересылки (transfer time) — дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа обусловлено задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между ЗУ двух смежных уровней.

Описание некоторого уровня иерархии ЗУ предполагает конкретизацию четырех моментов:

размещения блока — допустимого места расположения блока на примыкающем сверху уровне иерархии;

идентификации блока — способа нахождения блока на примыкающем сверху уровне;

замещения блока — выбора блока, заменяемого при промахе с целью освобождения места для нового блока;

согласования копий (стратегии записи) — обеспечения согласованности копий одних и тех же блоков, расположенных на разных уровнях, при записи новой информации в копию, находящуюся на более высоком уровне.

Самый быстрый, но и минимальный по емкости тип памяти — это внутренние регистры ЦП, которые иногда объединяют понятием сверхоперативное запоминающее устройство — СОЗУ. Как правило, количество регистров невелико, хотя в архитектурах с сокращенным набором команд их число может доходить до нескольких сотен.

Основная память (ОП), значительно большей емкости, располагается несколькими уровнями ниже.

Между регистрами ЦП и основной памятью часто размещают кэш-память, которая по емкости ощутимо проигрывает ОП, но существенно превосходит последнюю по быстродействию, уступая в то же время СОЗУ. В большинстве современных ВМ имеется несколько уровней кэш-памяти, которые обозначают буквой L и номером уровня кэш-памяти. Каждый последующий уровень кэш-памяти имеет большую емкость, но одновременно и меньшее быстродействие по сравнению с предыдущим. По «скорости» любой уровень кэш-памяти превосходит основную.

Все виды внутренней памяти реализуются на основе полупроводниковых технологий и в основном, являются энергозависимыми

Долговременное хранение больших объемов информации (программ и данных) обеспечивается внешними ЗУ, среди которых наиболее распространены запоминающие устройства на базе магнитных и оптических дисков, а также магнитоленточные ЗУ.

Еще один уровень иерархии может быть добавлен между основной памятью и дисками. Этот уровень носит название дисковой кэш-памяти и реализуется в виде самостоятельного ЗУ, включаемого в состав магнитного диска. Дисковая кэш-память существенно улучшает производительность при обмене информацией между дисками и основной памятью.

Контрольные вопросы

1. Какие операции определяет понятие «обращение к ЗУ»?

2. Как делится память по месту расположения?

3. Чем характеризуется емкость памяти? Какие единицы измерения используются для указания емкости запоминающих устройств?

4. Что такое единица пересылки и чем она определяется?

5. Сущность методов доступа к памяти.

6. Какими параметрами оценивается быстродействие памяти? В чем отличие между временем доступа и периодом обращения к запоминающему устройству?

7. Чем вызвана необходимость построения системы памяти по иерархическому принципу?

8. Что включает в себя понятие «локальность по обращению»?

9. Благодаря чему среднее время доступа в иерархической системе памяти определяется более быстродействующими видами ЗУ?

10. Что в иерархической системе памяти определяют термины «промах» и «попадание»?

11. На какие вопросы необходимо ответить, чтобы охарактеризовать определенный уровень иерархической памяти?

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: