1. Запоминающие устройства эвм.

Памятью ЭВМ условимся называть всю совокупность устройств, функционально предназначенных для запоминания, хранения и выдачи информации (в форме числовых и нечисловых кодов). Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, условимся называть устройствами памяти или запоминающими устройствами того или иного назначения, или типа. В современных компьютерах совокупность устройств памяти на аппаратном и/или программном уровне объединены и образуют систему памяти.

Содержимое памяти:

1. коды команд (программ);

2. данные (константы, исходные, промежуточные и результаты);

3. адреса (ассоциативные признаки, критерии поиска);

4. состояние устройств ЭВМ, подсистем и вычислительной системы .

Рис. 1.0.1. Линейная организация.

<34>

Определения:

Запись – единичная совокупность данных на устройстве внешней памяти, являющаяся элементарным объектом при единичном обращении к данным (группа полей).

Поле – совокупность битов, объединённых между собой функционально.

Массив – совокупность записей, элементы которой расположены так, что их описание (набор индексов) однозначно определяет положение каждого элемента и путь доступа к нему.

Блок – группа записей, расположенных компактно на носителе информации.

Минимальная единица количества информации – 1 бит.

Байт – 8 бит.

Слово – (кратно байту) – совокупность битов информации, которые записываются либо считываются из памяти параллельно, за одно обращение.

1 Кбит = 1024 бит; 1К = 2¹⁰ ; 1 Кбайт = 1024 байт; 1Kb = 2¹⁰b;

1 Мбит = 1024 Кбит; 1М=2²⁰; 1 Мбайт = 1048576 байт.

Ячейка памяти – совокупность запоминающих элементов (ЗЭ) для запоминания и хранения 1 слова.

Адрес ячейки – номер ячейки по порядку в линейно организованной памяти.

Файл – именованная последовательность записей, размещаемая на внешних ЗУ и рассматриваемая в процессе пересылки и обработки как единое целое.

<35>

Термин «память» и «запоминающее устройство» (ЗУ) в технической литературе выступают почти как синонимы.

В вычислительной технике термин ЗУ чаще употребляют, когда речь идет о физических принципах или о структурной организации при построении: полупроводниковое ЗУ, магнитное ЗУ, регистровое ЗУ, оперативное ЗУ и т.д. А термин память все же чаще применяется в отношении функционально-логического описания устройства, узлов ЭВМ: оперативная память, буферная память, регистровая память, внешняя память.

1.1. Типы зу и их основные характеристики.

Информация, которую необходимо хранить в памяти ЭВМ это программные и числовые массивы слов, а также массивы адресов и состояний.

Основным требованием к ЗУ является надежное хранение информации без изменения ее начального содержания в течение продолжительного времени и своевременное предоставление по запросу.

Основные характеристики любого ЗУ – емкость и быстродействие. А также стоимость. Возможны производные характеристики: удельная емкость и т.п.

О параметрах емкости памяти ЭВМ говорилось ранее.

Быстродействие ЗУ оценивается временем обращения (за информацией) или временем цикла:

;

.

Отмечены основные составляющие, без детализации.

Это минимальный временной интервал между двумя последовательными обращениями к ЗУ:

Время выборки:

Регенерация (восстановление) может быть необходима в случае считывания с разрушением, а также в особых случаях технологии ЗУ.

<36>

Вышеуказанные временные характеристики очень поверхностны для оценки быстродействия, так как не учитывают множество реальных физических процессов, происходящих в ЗУ.

Стоимость ЗУ оценивают чаще не общую, а относительную. Идеальна была бы оценка стоимости хранения одного бита (байта, слова, Кб, Мб) информации, в руб/бит. Эта величина ныне колеблется от 10^-2 до 10^-20 руб/бит. Зависит она как от типа используемых запоминающих элементов (запоминающей среды), так и от структуры вспомогательных (обрамляющих) элементов и устройства управления.

Каждое конкретное ЗУ при любом его физическом исполнении обладает определенными значениями быстродействия и емкости. С увеличением емкости быстродействие уменьшается, что объясняется, в частности, усложнением поиска требуемой информации.

Столь же тесно увязаны стоимость и быстродействие.

<37>

Для технического разрешения этих противоречивых требований используется иерархическая организация структуры памяти.

Но иерархия взаимоувязана с классификацией ЗУ ЭВМ.

Иерархическая структура памяти предполагает объединение нескольких ЗУ различных типов, отличающихся по емкости и быстродействию, в общую память вычислительной системы (машины). Иерархическая структура ЗУ ЭВМ позволяет сочетать хранение большого объема информации с быстрым доступом к информации в процессе ее обработки, что способствует в совокупности повышению производительности (более глобально – эффективности) вычислительных систем.

В иерархии памяти можно выделить следующие основные уровни:

• внутреннюю память;

• внешнюю память;

• буферную память.

Иногда сюда добавляют архивную память (но строго – это разновидность внешней памяти) и вспомогательную (ОЗУ каналов и ППД).

Рис. 1.1.1

СОЗУ имеет относительно малую емкость и высокое быстродействие и предназначено для кратковременного хранения части данных и фрагментов программ, непосредственно используемых в данный момент для общения с АЛУ в процессе вычислений. Обычный объем – от десятков до сотен тысяч машинных слов. Другие названия – регистровая память, кэш-память.

Отметим, что на первом уровне находятся и отдельные регистры – электронные ЗУ того же назначения, что и СОЗУ. Они могут входить непосредственно в состав АЛУ, устройств управления, как, впрочем, и другие устройства ЭВМ.

Регистры строятся подобно операционным устройствам в интегральных схемах.

Об управляющей памяти пойдет отдельный разговор в разделе, посвященном УУ. Ее назначение – обеспечить выдачу кодов команд, микрокоманд.

2-й уровень когда-то первоначально (лет 35 - 40 назад) строился на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, а ныне и ОЗУ, и ПЗУ исключительно СБИС.

Назначение ОЗУ уже освещалось.

Запись в ПЗУ осуществляется однократно, чаще всего при приготовлении устройства. ПЗУ нужно для хранения неизменяемой (даже может быть за время «жизни» ЭВМ) информации: стандартных программ и подпрограмм, констант, табличных данных и т.д. ПЗУ используется на 1-ом уровне в микропрограммных системах. Важное применение ПЗУ – хранение важнейших управляющих программ (например, супервизора, монитора и др.).

Выполняется ПЗУ на диодных элементах ИС, а также на различных гибридных и, даже, на оптических элементах. Время обращения к ПЗУ сравнимо либо меньше времени обращения к ОЗУ.

<38>

Внешняя память в целом предназначена для хранения больших объемов информации и выполняется из ЗУ большой емкости – внешних ЗУ. Непосредственной связи с процессором ВЗУ не имеют. Их объем достигает сотен Гб, но быстродействие от десятков микросекунд до секунд.

Архив чаще всего строится на наименее быстродействующей памяти (например, МЛ!). Назначение вполне понятно из названия.

Буферная память, реализуемая в виде отдельных или встроенных буферных ЗУ, предназначена для временного промежуточного хранения данных при обмене информацией между устройствами с существенно различным быстродействием. Основная идея – согласование по скорости ВЗУ и ОЗУ. В этом случае соответственно промежуточными должны быть объем и быстродействие. Однако в современных вычислительных системах назначение буферных ЗУ существенно видоизменилось: накопление информации от ВЗУ и последующая «подкачка» информации для поддержания высокой производительности ядра ЭВМ. А тогда требования такие: промежуточный объем, достаточно высокая скорость работы.

<39>

Теперь о классификации ЗУ.

По специфике использования в ЭВМ (функциональному назначению):

1. ЗУ со сменой информации в процессе работы (СОЗУ, ОЗУ, БЗУ, ВЗУ);

2. ЗУ без смены информации (ПЗУ или односторонние ЗУ);

3. ЗУ с медленной сменой информации (ППЗУ или ЗУ БРИ – ЗУ без разрушения информации при считывании) – запись возможна, но специальными средствами и медленно.

Заметим, что ЗУ 2-й и 3-й групп не требует регенерации информации.

По способу размещения и способу поиска информации:

1. адресные;

2. безадресные:

   1. ассоциативные;

   2. стековые;

   3. магазинные;

   4. ортогональные.

По способу обращения к ячейкам запоминающей среды:

1. ЗУ с произвольным доступом;

2. ЗУ с последовательным доступом:

   1. периодические (циклические), ещё их именуют ЗУ с прямым доступом;

   2. апериодические или ЗУ с последовательным доступом.

В (1) – время выборки из любой ячейки одинаково. Носитель запоминающей среды неподвижен относительно средств записи и считывания. ЗУ с произвольным доступом по своим совокупным возможностям наиболее гибкие, эффективные.

В (2), в частности в (2-а) ЗУ информация хранится так, что обращение требует некоторого механического движения (с одновременным убыванием или возрастанием адресов). При этом информация, записанная в нужной ячейке (дорожке), периодически появляется под записывающей/считывающей головкой. Следовательно запись и считывание могут быть выполнены лишь в определенные интервалы времени. Соответствующий интервал называется циклом работы ЗУ. В (2-b) носитель подвижен относительно головки для записи/считывания , но в движении нет периодичности.

<40>

Есть и другие классификации.

В заключение заметим, что модификации систем памяти по сравнению с иерархической структурой возможны и характерны для новых поколений ЭВМ и областей применения вычислительной техники.