2. Организация памяти вычислительных машин

В результате изучения данной темы Вы будете:

• иметь представление об организации памяти, ее основных классах;

• понимать, каким образом происходит обращение к нужному участку памяти;

• иметь представление, о том, что такое кэш-память, основных принципах ее работы.

Конфигурация памяти компьютера в основном определяется тремя пара­метрами: объемом, быстродействием, стоимостью.

Вопрос об объеме решить не так просто. Какой большой ни была бы па­мять, все равно будут разработаны приложения, которым ее не хватит. В отно­шении быстродействия памяти все ясно: чем быстрее, тем лучше. Для достиже­ния высшей производительности память должна иметь возможность быстро об­мениваться данными с процессором. Но в реальной жизни едва ли не главным становится третий параметр. Стоимость памяти должна быть сравнима со стои­мостью других компонентов компьютера.

Очевидно, можно найти некоторый компромисс между перечисленными харак­теристиками памяти. На любом этапе развития технологий производства запоми­нающих устройств действуют следующие, достаточно устойчивые, соотношения:

• чем меньше время доступа, тем дороже каждый бит;

• чем выше емкость, тем ниже стоимость бита;

• чем выше емкость, тем больше время доступа.

Теперь ясна дилемма, стоящая перед конструктором. Вследствие возраста­ния требований к ресурсам конструктор стремится использовать те технологии, которые обеспечивают производство устройств с большой емкостью. Однако что­бы удовлетворить потребности в высокой производительности, конструктор должен использовать дорогую память с меньшей емкостью (зато и с меньшим вре­менем доступа).

Чтобы найти выход из сложившейся ситуации, необходимо опираться не на отдельно взятый компонент памяти или технологию, а выстроить иерархию запоминающих устройств. На Рис. 2 .6 показана типичная иерархическая пирамида, при спуске к ее основанию происходит следующее:

1. снижается стоимость бита;

2. возрастает емкость памяти;

3. возрастает время доступа к памяти;

4. снижается частота обращений процессора к памяти.

Рис. 2.6. Иерархия запоминающих устройств

Таким образом, к более дорогим устройствам с меньшей емкостью и более высокой производительностью добавляются более емкие, дешевые, но менее производительные. При такой организации ключом к успеху является снижение частоты обращения к последним.

Регистры, кэш и основная память являются обычно временными (при отключении питания находящаяся в них информация исчезает) и производятся на основе полупроводниковой технологии. Наличие этих уровней основано на том, что существуют различные по скорости и стоимости виды полупроводнико­вой памяти. Постоянными являются внешние устройства хранения большого объема данных, наиболее часто встречающиеся из которых – жесткий диск и такие съемные устройства, как переносные диски, ленты и оптические запоми­нающие устройства. Внешнюю, постоянную память называют также вторичной или вспомогательной памятью. Такие устройства используются для хранения файлов с программами и данными и доступны программисту чаще всего (но не всегда) только на уровне файлов и записей, а не отдельных слов или байтов.