16. Иерархия памяти. Роль оперативной памяти. Многозадачность.
Кэш память = сверхоперативная память
Известно, что память ЭВМ предназначена для хранения программ и данных, причем эффективность работы ЭВМ во многом определяется характеристиками ее памяти. Во все времена к памяти предъявлялись три основных требования: большой объем, высокое быстродействие и низкая (умеренная) стоимость.
Все перечисленные выше требования к памяти являются взаимно-противоречивыми, поэтому пока невозможно реализовать один тип ЗУ, отвечающий всем названным требованиям. В современных ЭВМ организуют комплекс разнотипных ЗУ, взаимодействующих между собой и обеспечивающих приемлемые характеристики памяти ЭВМ для каждого конкретного применения.
I. Регистровая память – местная память процессора.
Отличительные черты:
1)Самая быстрая
2)Самое маленькое время доступа
3)Большая стоимость
4)Маленькая емкость
“регистры”(registers) – модули, построенные на триггерах.
Триггер - это устройство последовательного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется. (вдруг спросит)
В регистрах хранятся операнды(числа(двоичные), которые процессор обрабатывает, при выполнении текущей команды)
или результаты их команд, которые выполняет процессор в текущем такте.
II. Сверхоперативная память
СОЗУ обладает максимальным быстродействием (равным процессорному), небольшим объемом (105 — 107 байтов) и располагается, как правило, на кристалле процессорной БИС. Для обращения к СОЗУ не требуются магистральные (машинные) циклы. В СОЗУ размещаются наиболее часто используемые на данном участке программы данные, а иногда — и фрагменты программы.
В вычислительных системах используют многоуровневый кэш
Кэш процессора 1го уровня (L1) — время доступа порядка нескольких тактов, размером в десятки килобайт
Кэш процессора 2го уровня (L2) — большее время доступа (от 2 до 10 раз медленнее L1), около полумегабайта или более
Кэш процессора 3го уровня (L3) — время доступа около сотни тактов, размером в несколько мегабайт (в массовых процессорах используется с недавнего времени)
В настольных системах обычно используется двухуровневый кэш,
в серверных - трехуровневый.
Кэш служит высокоскоростным буфером между ЦП и относительно медленной основной памятью.
III. Оперативная память
Служит для размещения туда программ целиком и сегментных данных, которые она использует. Связь между процессором и ОЗУ осуществляется по системному или специализированному интерфейсу и требует для своего осуществления машинных циклов
ОЗУ системы — время доступа от сотен до, возможно, тысячи тактов, но огромные размеры в несколько гигабайт, вплоть до десятков. Время доступа к ОЗУ может варьироваться для разных его частей в случае комплексов класса NUMA (с неоднородным доступом в память)
Организационные методы (сплошная и сегментированная) распределения памяти позволяют организовать вычислительную систему, в которой рабочее адресное пространство программы превышает размер фактически имеющейся в системе оперативной памяти, при этом недостаток оперативной памяти заполняется за счет внешней более медленной или более дешевой памяти (винчестер, флэш-память и т.п.) Такую концепцию называют виртуальной памятью.