20. Устройство памяти компьютера.

Главным устройством памяти для компьютеров второго поколения и для многих больших компьютеров третьего поколения был магнитный сердечник – крохотное колечко магнитного материала размером с бусинку. С помощью тонких проводов, прошивающих колечки в вертикальном и горизонтальном направлениях, из этих сердечников вяжется сетка внутри компьютера. Каждый сердечник хранит магнитный заряд. Направление магнитного потока определяет состояние 1 или 0. Запоминающее устройство на сердечниках было изобретено в 1948 Э. Уонгом и широко использовалось в 1950–1960-х годах.

Запоминающее устройство на сердечниках является энергонезависимой памятью, т.е. оно сохраняет свое содержимое даже тогда, когда электроэнергия отключается. Сердечники выполняли функции появившихся ранее ламповых триггеров и привели к появлению термина «оперативная память». Позже память на сердечниках была вытеснена микроэлектронными устройствами, однако она все еще используется в армейском оборудовании, на космических кораблях и для других специальных применений.

Важным дополнением к микропроцессору является память на интегральных схемах. Существуют два основных класса этой памяти: оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой и постоянное запоминающее устройство.

ОЗУ работают быстро: микропроцессор может получать доступ к ним за 10–20 нс. Обычные коммерческие модули ОЗУ хранят до 256 Мб. ОЗУ надежны и работают годами, выполняя миллиарды операций. ОЗУ помнят только то, что вы сообщили им в последний раз; все остальное стирается. ОЗУ потребляют довольно мало энергии, если сравнивать их с другими интегральными схемами примерно тех же размеров и плотности упаковки. Некоторые ОЗУ расходуют так мало энергии, что достаточно маленькой батарейки, чтобы активизировать или хотя бы поддерживать их память после отключения основного источника энергии. Эти ОЗУ часто используются в небольших портативных компьютерах и калькуляторах.

При отключении энергии ОЗУ свою память теряет. ПЗУ же запоминает практически навсегда. ПЗУ особенно удобны для задач, которые нуждаются в неоднократном повторении одного и того же набора команд. ПЗУ работают обычно медленнее, чем ОЗУ, но зато их память постоянна и помехоустойчива. Кроме того, свой проигрыш в скорости реакции ПЗУ компенсируют плотностью упаковки.

Характеристика ОЗУ и ПЗУ, именуемая произвольным доступом, относится к способности микропроцессора или другого ЦП получать доступ к любому элементу памяти в любое время. Например, если телефонный номер хранится где-нибудь в ОЗУ или ПЗУ и ЦП знает, где этот номер находится, то ЦП может набрать его почти мгновенно. Важно лишь, чтобы было известно, где он находится.

Не все ПЗУ имеют абсолютно постоянную память. Некоторые ПЗУ-подобные устройства обладают, так сказать, полупостоянной памятью, т.е. они помнят, что им сообщалось, до тех пор, пока не подвергнутся стиранию и перезаписи. Стирание осуществляется путем экспозиции чипа в ультрафиолетовых лучах высокой интенсивности или другими способами, как в некоторых современных чипах памяти со стиранием и записью.

21. Иерархия памяти

Причины применения иерархических систем памяти

Повышение производительности вычислительных систем непосредственно связано с увеличением быстродействия и емкости памяти. Емкость памяти наиболее крупных вычислительных систем возросла от 1000 байт до десятков терабайт, а время цикла уменьшилось с 20 мкс до 10 нс. Однако даже с учетом прогресса в технологии быстродействующие запоминающие устройства остаются более дорогими, чем медленные. Следовательно, с целью уменьшения стоимости ВС при той же производительности эффективнее иметь иерархию памяти с небольшим по емкости запоминающим устройством, расположенным рядом с процессором и имеющим минимальное время доступа. Такая иерархия позволяет согласовать характеристики памяти и центрального процессора.

С ростом сложности а также размерности технических и научных задач возрастает требование к объему памяти. Рост объема памяти в свою очередь приводит к большим физическим размерам устройства, увеличению длины проводников и задержки распространения сигналов, т.е. уменьшается время доступа к такой памяти. Хотя быстродействие и емкость отдельных устройств памяти возросли, этого было не достаточно для того, чтобы они соответствовали характеристикам процессора. Конечно, можно реализовать память больших объемов, которая несколько быстрее имеющейся на данный момент при помощи совершеннейших технологий, существующих на данный момент. Однако стоимость такой памяти по отношению к увеличению ее производительности будет очень велика и использование такой памяти экономически невыгодно.

Иерархическая организация памяти

Компромиссом между производительностью и объемами памяти является решения использовать иерархию запоминающих устройств, т.е. применять в ВС так называемую иерархическую модель памяти. При хорошо построенной иерархической системе памяти среднее время доступа ко всей памяти лишь незначительно превышает время доступа к небольшому быстродействующему запоминающему устройству, а количество хранящейся информации равно емкости большой памяти. Идея иерархии запоминающих устройств в том или ином виде с самого начала была одной из важных концепций при разработке вычислительных систем.

Иерархическая память-это система памяти, состоящая как минимум из двух запоминающих устройств, отличающихся быстродействием и емкостью Обычно первое устройство памяти, расположенное в непосредственной близости от процессора, имеет малое время доступа и более высокую стоимость на бит. В связи с этим емкость более быстродействующей памяти в иерархии делается небольшой для того, чтобы оптимизировать стоимость всей системы. Технология памяти второго уровня иерархии выбирается исходя из низкой стоимости на один бит; такая память имеет большие значения времени цикла и времени доступа.

Иерархическая память управляется пользовательскими программами, аппаратным путем или системным программным обеспечением так, чтобы система памяти по времени доступа приближалась к быстродействующей памяти, а по стоимости - к медленной памяти. Примером иерархии, управляемой системным программным обеспечением, является организация виртуальной памяти со страничной организацией применяемая в данное время всеми современными операционными системами: недостаток емкости оперативной памяти возмещается внешней дисковой памятью.

Применение иерархических систем памяти оправдывает себя в следствие двух важных факторов - принципа локальности обращений и низкого (экономически выгодного) соотношения стоимость/производительность Принцип локальности обращений говорит о том, что большинство программ к счастью не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.

Иерархия памяти существует главным образом для того, чтобы повысить экономическую эффективность системы путем оптимального сочетания временных и стоимостных характеристик различных запоминающих устройств. Для того чтобы иерархия памяти была экономически эффективной, память должна иметь высокие эксплуатационные характеристики.