5. Организация системы памяти. Иерархия памяти современного компьютера.

По размещению: внутренняя, внешняя, процессорная.

1) процессорная – наиболее скоростная. Располагается на кристалле процессора, к ней относятся РОНы, так же кэш-память 1-го уровня.

2) внутренняя – более медленная. К ней относят основную память, а так же различные КЭШи 2-го и последующих уровней, располагающиеся на материнской плате.

3) внешняя память. Внешние запоминающие устройства, подключаются аналогично внешним устройствам ввода/вывода.

Операции: чтение, запись.

Самый быстродействующий вид памяти:

1) РОНы – работают на частоте процессора, объем сотни Б.

2) кэш-память 1-го уровня, располагается на кристалле процессора. Время доступа 15-30 нс, объем до 128 Кб. Взаимодействие с данным видом памяти определяет аппаратура.

3) кэш-память 2-го и последующих уровней. Емкость до 512 Кб. Время доступа 40 нс. Взаимодействие так же определяется аппаратурой.

4) ОЗУ. Чаще всего ОЗУ построены на основе динамической памяти. Время доступа 20-40 мкс. Объемы различны, обычно не превышает 10 Гб.

5) FIFO – буфер на контроллере шины внешнего запоминающего устройства. Время доступа более 40 мкс. Объем обычно не более 8 Гб.

6) БВЗУ – буфер внешних запоминающих устройств. Дисковая кэш память. Время доступа 50-100 мкс. Объемы до 16 Мб.

7) ВЗУ – внешние запоминающие устройства 8-10 мс, объемы неограниченны.

Объем и время доступа растет при движении вниз по списку.

Общая структура подсистемы памяти:

НТМД – накопитель на гибких магнитных дисках.

Основные направления развития подсистемы памяти:

1) увеличение объемов.

2) повышение пропускной способности.

3) повышение надежности.

4) уменьшение энергопотребления памяти.

5) снижение стоимости.

6. Принципы построения кэш-памяти. Виртуальная память.

Кэш – небольшая буферная память, расположенная между основной памятью и процессором. Впервые была предложена в 1965 году. Дает выигрыш при операциях чтения, при операциях записи производительность может уменьшаться.

С пособы организации кэш памяти:

1. Полностью ассоциативный кэш.

В полностью ассоциативных КЭШах: любой блок основной памяти может быть отображен на любую строку КЭШ памяти. Поле признака является частью адреса основной памяти.

Недостатки данного способа организации:

– требуется сложная схема параллельного сравнения знач-я адреса с полем тегов.

– большие аппаратные затраты, большие схемы, высокие треб-я к проектированию.

– требуется больше времени для обновления при кэш-промахе.

Достоинства:

+ Данный способ наиболее производительный.

2 . Кэш с прямым отображением:

При данном способе имеется строгая зависимость между строкой кэш памяти и блоком основной памяти.

Поле тега определяет, какой именно из зарезервированных блоков памяти отображен в кэш памяти.

Достоинства: простота реализ-и, не требуется сложных схем парал-го сравнения.

Недостатки: при частых обращениях к различным областям основной памяти происходит частое замещение строк в кэш-памяти (потери производительности).

3 . Множественно-ассоциативный кэш.

Кэш память делится на модули, обращение к которым происходит параллельно, причем отдельные блоки организованы как кэш память с прямым отображением.

Определенному модулю соответствует определенный набор блоков памяти, а внутри модуля используется ассоциативный кэш. Любому блоку может соответствовать любая строка. Обычно таких модулей от 2-х до 4-х.

Данная организация позволяет значительно повысить производительность по сравнению со вторым методом. Незначительно усложняется организация. В настоящее время наиболее распространенный тип КЭШа в тех или иных модификациях.

Виртуальная память.

Виртуализация памяти представляет собой метод автоматич. управления иерархич. памятью, при котором программисту видится, что он имеет дело с единой памятью большого объема и высокого быстродействия. Суть: часть программы размещается на внешних носителях, в случае необходимости подгружается в основную память.

Виртуальная память – совокупность программно аппаратных средств, позволяющих пользователю писать программы, размер которых превышает размер основной памяти.

Для реализации этого решают следующие задачи:

1) размещение данных в запоминающих устройствах разного типа.

2) перемещ-е данных по мере необходимости между запоминающими устройствами.

3) преобразование виртуальных адресов в физические.

Основная память рассматривается как физическое пространство из операндов для задач, где требуется более адресов, модель представляет виртуальное пространство адресов равных обычной емкости всех устройств.

Программа пишется в вирт-х адресах. Существует схема преобразования адресов из виртуальных в физические адреса. Существует несколько реализаций виртуальной памяти: 1) страничная, 2) сегментная, 3) сегментно-страничная, 4) свопинг.

Страничная реализация виртуальной памяти.

Идея: все пространство памяти разбивается на равные части (страницы), обычно по 4-8 кб. Он выбирается кратным размеру сектора магнитного диска. Виртуальные и физические адресные пространства так же разбиваются на блоки размером в страницу.

Блок основной памяти называют страничным кадром или фреймом. Страницам виртуальной и физической памяти присваивают номера.

Когда программа обращается к ячейке памяти, указывает виртуальный адрес этой ячейки, который состоит из номера виртуальной страницы и смещения. Этот виртуальный адрес поступает в схему преобразования адресов с целью преобразования данного адреса в физический, причем преобразованию подвергается только номер виртуальной страницы, так как смещения одинаковые.

Если система обнаруживает, что по данному адресу нужная страница отсутствует, тогда происходит ситуация “страничный сбой” и требуемая страница подгружается из внешней памяти в основную память.

Преобразование адреса из виртуального в физический осуществляется с помощью страничной таблицы. Все виртуальное пространство может быть описано с помощью двух таблиц: 1) страничная таблица; 2) карта диска:

Число записей в данных таблицах соответствует числу виртуальных страниц.

Недостатки: программа состоит из информационной, стековой и кодовой части. Страничная адресация использует сквозную нумерацию.

Сегментная организация виртуальной памяти.

Особенность: каждая из частей программы имеет собственную нумерацию, начинающуюся с нуля. Для этого в виртуальной памяти выделяются линейные пространства переменной длины (сегменты), каждый из которых предполагает собственную нумерацию, начинающуюся с нуля. Для преобразования виртуального адреса в физический используется сегментная таблица.

Недостатки: при такой организации не эффективно используется основная память (в ней происходит фрагментация)

Выход – использование сегментно-страничной организации.

Сегментно-страничной организации виртуальной памяти

Предполагает разбиение вирт-го пространства на линейные пространства размер сегментов выбирается кратным странице. Если страница заполнена не полностью, то память оставляется не используемой. Данный способ наиболее широко распространен.