1. 40. Уровни памяти в вычислительных системах и их взаимодействие. Регистры, кэш, озу, взу. Их типы и классификация.

Любой процессор имеет устройство, выполняющее команды, и собственную внутреннюю память, реализованную внутри микросхемы процессора. Она называется регистрами процессора. Имеется 3 основных типа регистров:

• общие регистры хранят целые числа или адреса. Размер общего регистра совпадает с размером машинного слова и в 32-разрядной архитектуре равен четырем байтам. Число общих регистров и их назначение зависит от конкретного процессора. В большинстве Ассемблеров к ним можно обращаться по именам R0, R1, R2, ...Среди общих регистров имеются регистры специального назначения: указатель стека SP (Stack Pointer), счетчик команд PC (Program Counter) и др.;

• регистр флагов содержит биты, которые устанавливаются в единицу или в ноль в зависимости от результата выполнения последней команды. Так, бит Z устанавливается в единицу, если результат равен нулю (Zero), бит N — если результат отрицательный (Negative), бит V — если произошло переполнение (oVerflow), бит С - если произошел перенос единицы из старшего или младшего разряда (Carry), например, при сложении двух целых чисел или при сдвиге. Значения битов в регистре флагов используются в командах условных переходов;

• плавающие регистры содержат вещественные числа. В простых процессорах аппаратная поддержка арифметики вещественных чисел может отсутствовать. В этом случае плавающих регистров нет, а операции с вещественными числами реализуются программным путем.

Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, к которому программист обратиться не может.

Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы, например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов. Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем.

Существуют также так называемые регистры общего назначения (РОН), представляющие собой часть регистров процессора, использующихся без ограничения в арифметических операциях, но имеющие определенные ограничения, например в строковых.

Специальные регистры содержат данные, необходимые для работы процессора — смещения базовых таблиц, уровни доступа и т. д.

Часть специальных регистров принадлежит устройству управления, которое управляет процессором путём генерации последовательности микрокоманд.

Доступ к значениям, хранящимся в регистрах, как правило, в несколько раз быстрее, чем доступ к ячейкам оперативной памяти (даже если кеш-память содержит нужные данные).

Запоминающими устройствами (ЗУ) называются комплекс программных

средств, реализующих функции памяти.

ЗУ делят на:

1).Основную память (ОП)

2).Сверх оперативная память (СОЗУ)

3).Внешняя память (ВЗУ)

ОП включает в себя два типа устройств:

- ОЗУ (RAM – random aces memory)

- ПЗУ (ROM – read only memory)

ОЗУ – предназначено для хранения переменной информации.

ПЗУ – содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения

процессором вычислений.

Функциональные возможности ОЗУ шире ПЗУ, но ПЗУ – энергонезависимо и

имеет большее быстродействие.

В современных ЭВМ микросхемы памяти изготовляют из кремния по

полупроводниковой технологии, с высокой интеграцией элементов на кристалле.

Основной составной частью микропроцессора является массив элементов

памяти объединенных в матрицу накопителя. Каждый элемент памяти может

хранить 1 бит памяти. Каждый бит имеет свой адрес в ЗУ, позволяющий

обращаться по адресу к любому элементу памяти – называется ЗУ с

произвольным доступом.

Микросхемы памяти могут строиться на SRAM (статических) и DRAM

(динамических).

В качестве статического элемента памяти (ЭП) обычно выступает

статический триггер, а в качестве динамического ЭП используется

электрический конденсатор внутри кремневого кристалла.

ОЗУ характеризуется объемом и быстродействием. ОЗУ в современных ЭВМ

имеет модульную структуру. Сменные модули имеют различное конструктивное

строение: SIM, ZIM, SIMM, DIMM.

На производительность ЭВМ влияет тактовая частота и разрядность шины

данных системной магистрали (СМ). Если тактовая частота не достаточно

высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения и наоборот.

Характеристикой производительности ОЗУ является пропускная

способность, измеряемая в Мбайт/сек.

СОЗУ пользуются для хранения не больших объемов информации, в

результате скорость считывания уменьшается в 10-20 раз. СОЗУ строят на

регистрах, они бывают адресные и безадресные.

Кэш-память, кэш (cache memory, cache):

в широком смысле, любая память с быстрым доступом, где хранится часть данных с другого носителя с более медленным доступом;

в узком смысле — «сверхоперативный» вид памяти, используемый для повышения скорости доступа микропроцессора к оперативной памяти.

Кэш-память процессора

Если кэш-память располагается между микропроцессором и оперативной памятью, при обращении процессора к памяти сначала производится поиск необходимых данных в кэш-памяти, выполняющей функции буфера между процессором и оперативной памятью. Так как в большинстве случаев эти данные из оперативной памяти предварительно перекачиваются в кэш-память, а время доступа в нее существенно ниже, чем непосредственно в оперативную память, общее время доступа к памяти сокращается. 

Кэш-памятью комплектуется большинство современных центральных процессоров, начиная с Intel 80386 (первоначально кэш-память располагалась не на самом процессоре как сейчас, а на материнской или на процессорной плате).

Различают следующие виды кэш-памяти процессора:

• Cache L1 — «кэш-память первого уровня»: промежуточная сверхоперативная память, как правило находящаяся на самом кристалле процессора, в которой размещаются наиболее часто используемые данные. Работает на частоте процессора. Время доступа к этой памяти существенно меньше, чем к данным в основной оперативной памяти. Этим достигается ускорение работы процессора. Из-за ограничений в размерах кристалла процессора и высокого быстродействия этой памяти она имеет небольшую емкость — всего несколько десятков килобайт.

• Cache L2 — «кэш-память второго уровня»: промежуточная сверхоперативная память, имеющая быстродействие ниже памяти первого уровня, но выше основной оперативной памяти. Ее размер обычно составляет от нескольких сотен килобайт до нескольких мегабайт. Она может выполняться как на том же кристалле, что и процессор, так и в виде отдельных микросхем. В RISC-процессорах зачастую используется L3-кэш и кэш более высоких порядков.

• Cache L3 — «кэш-память третьего уровня»: промежуточная сверхоперативная память, имеющая быстродействие ниже памяти второго уровня, но выше основной оперативной памяти. Ее размер обычно составляет от одного до нескольких мегабайт. Используется, главным образом, в серверных процессорах (см. Intel Xeon MP). Встречается кэш-память и более высоких уровней (при этом быстродействие памяти каждого последующего уровня меньше каждого предыдущего уровня).

• D-Cache — сверхоперативная память, используемая для хранения инструкций процессора.

Существуют две основные политики записи кэш-памяти — сквозная запись (write-through) и отложенная запись (write-back):

• Сквозная запись — запись производится непосредственно в основную память (и дублируется в кэш), то есть запись не кэшируется.

• Отложенная запись — запись данных производится в кэш. Запись же в основную память производится позже (при вытеснении или по истечению времени), группируя в одной операции несколько операций записи в соседние ячейки. 

Кэширование жесткого диска

Большинство жестких дисков оснащены собственной кэш-памятью размером от нескольких кмлобайт до нескольких мегабайт (в современных жестких дисках — 2, 4, 8, 16 или 32 Мб). Дисковая кэш-память (disk cache), или кэш-память жестского диска — принцип построения кэш-памяти на основе динамического ОЗУ (см.DRAM), хранящем наиболее часто используемые команды и данные, доступ к которым производится из внешней памяти. Принцип кэширования жесткого диска во многом похож на принцип кэширования, используемый для оперативной динамической памяти, хотя способы доступа к диску и памяти сильно различаются. Если время доступа к любой из ячеек оперативной памяти имеет примерно одинаковое для данного компьютера значение, то время доступа к различным блокам информации на винчестере в общем случае будет различным. Во-первых, нужно затратить некоторое время, чтобы магнитная головка записи-чтения подошла к искомой дорожке. Во-вторых, поскольку при движении головка вибрирует, то необходимо время, чтобы она успокоилась. В-третьих, требуется время, чтобы головка нашла искомый сектор.

При обращении к оперативной памяти могут читаться или записываться только несколько отдельных байтов, в то время как доступ к диску всегда происходит секторами. Если размер сектора в случае использования любой версии DOS составляет 512 байт, то наименьший размер кэш-памяти также должен быть 512 байт.

Другие виды кэш-памяти

Значительная часть устройств внешней памяти (внешние жесткие диски, приводы CD и DVD), а также периферийные устройства (принтер, сканер) обладают небольшим объемом кэш-памяти (в основном 2, 4, 8 либо 16 Мб), что позволяет увеличить скорость доступа к данным.

Кроме того, кэширование широко распространено в сетевых технологиях.

Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ и данных. Устройства внешней памяти (накопители) являются энергонезависимыми, выключение питания не приводит к потере данных. Они могут быть встроены в системный блок или выполнены в виде самостоятельных блоков, связанных с системным через его порты. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней.

По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа. При прямом (произвольном) доступе время доступа к информации не зависит от ее места расположения на носителе. При последовательном доступе время доступа зависит от местоположения информации.

Скорость обмена информацией зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что определяется, в свою очередь, скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве.

Внешняя (долговременная) память - это место хранения данных, не используемых в данный момент в памяти компьютера.

Устройства внешней памяти - это, прежде всего, магнитные устройства для хранения информации.

По способу записи и чтения накопители делятся, в зависимости от вида носителя, на магнитные, оптические и магнитооптические.

Раньше в вычислительной технике к внешним устройствам (ВЗУ) относили устройства хранения дискретной информации, главным образом, на магнитных лентах, барабанах, дисках.