Запоминающие устройства эвм

ЗУ – это комплекс технических средств, предназначенных для записи, хранения и выдачи информации.

Для работы с памятью используются две основные операции (операции обращения к памяти): запись и чтение информации

Характеристики ЗУ:

• Информационная емкость (основная характеристика) – количество единиц информации, которое можно одновременно разместить в ЗУ. Измеряется в битах и в производных от бит (байт, Мб, Гб, Тб)

• Удельная емкость (для некоторых видов ЗУ) – это отношение емкости к пространственным параметрам (объем, площадь, длина и т.п.)

• Быстродействие ЗУ (для разных видов ЗУ определяется по-разному)

• время доступа – время от момента обращения к ЗУ до получения данных или наоборот;

• длительность цикла обращения (период обращения) – минимальное время между двумя последовательными обращениями;

• скорость передачи – количество информации, которое может быть записано или считано за одну секунду. (Определяется быстродействием ЗУ и интерфейсом подключения);

• пропускная способность – максимальное значение скорости.

• Габариты ЗУ

• Масса ЗУ

• Напряжение питания

• Потребляемая мощность и т.п.

Классификация зу

I. По способу записи:

1. Магнитная запись (способность сохранять намагниченность). Запись заключается в изменении параметров намагниченности. {Floppy disc, магнитные ленты}

2. Оптическая запись. При оптической записи изменяются оптические свойства среды носителя, т.е. угол преломления, отражения и т.п.

3. Электронная запись. Электронная запись заключается в изменении электрического потенциала или заряда в участке цепи. {Оперативная память, flash-память}

4. Механическая запись. {Перфоленты, пластины}

5. Комбинированная запись. {Магнитно-оптические диски}

II. По виду операций обращения

1. Только для чтения ROM (Read Only Memory). {ПЗУ – постоянное запоминающее устройство}

2. Для записи и чтения RAM (Run Access Memory)

III. По способу доступа к месту хранения информации

1. Память с произвольным доступом (RAM). Время, затрачиваемое на обращение к данным, не зависит от расположения ячейки. Обращение к другой ячейке занимает одно и то же время. {Микросхемы памяти}

2. Память с последовательным доступом. Время обращения отличается в зависимости от расположения ячейки. {Магнитные ленты}

3. Память с циклическим доступом. «Кольцо» с информацией вращается возле считывающей головки. Доступ к ячейке появляется периодически. Чем больше емкость, тем меньше время доступа. {Все дисковые накопители}

IV. По размещению

1. Внутренние ЗУ – устройства для обращения к которым не нужны специальные команды. {Оперативная память, регистровая память, кэш-память}

2. Внешние ЗУ – устройства, для обращения к которым нужны специальные команды. {Hard disc, CD, DVD, Flash-память и др.}

Иерархическая структура памяти эвм

С помощью одного вида памяти, например оперативной, нельзя обеспечить эффективную работу ВМ, поэтому в состав ЭВМ входят разнообразные запоминающие устройства, которые отличаются по способу записи, размещения, характеристикам и т.д. Запоминающие устройства ЭВМ организованы по иерархическому принципу:

Оперативная память ЭВМ должна размещать в себе коды программ и данных, которые подлежат выполнению.

Емкость ОП: n10 - n100 МБ

Быстродействие ОП (частота обращения): n10 – n100 МГц

Внешние ЗУ выступают в качестве архивных ЗУ, т.е. они предназначены для длительного хранения больших массивов информации.

Емкость внешних ЗУ может достигать n ТБ.

Быстродействие внешних ЗУ можно оценить по скорости передачи информации: n10 МБ/сек.

Регистровая память (самая быстродействующая память) содержит информацию, необходимую для работы процессора в текущем такте.

Емкость регистровой памяти: несколько сотен машинных слов.

Быстродействие регистровой памяти совпадает с быстродействием процессора, т.е. частота обращения равна частоте процессора.

Перемещение информации между ЗУ одного уровня напрямую невозможно и осуществляется через ЗУ более высоких уровней. При передаче информации с одного ВЗУ на другое, данные разбиваются на блоки и вначале помещаются в оперативную память, но т.к. быстродействия ВЗУ и ОЗУ различны (время обращения Тозу << Твзу), оперативная память используется неэффективно. Быстрое ЗУ как бы «простаивает» столько, сколько длится запись в ВЗУ.

Для того чтобы ускорить взаимодействие различных видов памяти, было разработано буферное запоминающее устройство, часто называемое кэш-памятью диска, в которое помещаются блоки данных и уже затем перебрасываются во внешнее запоминающее устройство.

Виртуальная память

- это кажущаяся (не существующая) память большой емкости и приемлемого быстродействия, которая создается путем автоматического управления иерархической памятью ЭВМ. Как правило, для этого задействуются ОЗУ и ВЗУ.

Для эффективной работы сразу нескольких приложений емкости ОП не хватает, поэтому в 1959г. была предложена идея виртуальной памяти. Все содержимое ОП загружается на жесткий диск. Процессор, обращаясь к виртуальной памяти, вырабатывает адрес, который поступает в преобразователь адресов (для обращения к ОП).

Виртуальная память представляет собой последовательность ячеек, содержимое которых размещается в виде файла на ВЗУ. Те ячейки виртуальной памяти, которые потребуются процессору при выполнении программы должны автоматически быть перемещены с ВЗУ в ОП. Процесс обращения к ячейке виртуальной памяти включает в себя следующие этапы:

1. Происходит обращение к ячейке с адресом Авирт. Адрес поступает на вход преобразователя адресов, который является частью операционной системы и проверят наличие требуемой ячейки виртуальной памяти в ОЗУ.

2. Если ячейка присутствует в ОП, то от туда и будет считано ее содержимое.

3. Если требуемая ячейка не присутствует в ОП, то преобразователь адресов перемещает содержимое ячейки с ВЗ в ОЗУ.

4. Затем уже из ОЗУ считывается требуемая информация.

Для работы виртуальной памяти необходима информация о размещении ячеек виртуальной памяти на ВЗУ и сведения о ячейках виртуальной памяти, которые сейчас находятся в ОЗУ. Эта информация представляется в виде двух таблиц: таблицы страниц и карты диска.

Несколько ячеек виртуальной памяти объединяются в страницы (блоки данных). Таблица страниц (табличная страница) отвечает за расположение блоков в ОЗУ. Карта диска отвечает за расположение блоков на ВЗУ.

Кэш-память процессора

Технология использования кэш-памяти процессора позволяет «повысить» быстродействие ОП за счет использования высокоскоростной сверхоперативной памяти сравнительно малой емкости. Для повышение производительности ЭВМ необходима емкая и быстродействующая память. Увеличить быстродействие ОЗУ технически можно, но экономически не оправдано и не выгодно, поэтому в 1965г. была предложена концепция кэш-памяти процессора.

Небольшое содержимое ОП помещается в кэш-память, обращение к которой возможно с высокой скоростью. Если процессор обращается за информацией в ОП, то первоначально проверяется ее наличие в кэш-памяти. Удачное обращение происходит при наличии требуемого фрагмента данных в кэш-памяти («попадание в кэш»). В этом случае информация считывается очень быстро.

- время обращения равно времени обращения к кэш памяти;

В противном случае (данные находятся в ОЗУ) – это «промах». Тогда информация копируется из ОЗУ в кэш-память и уже от туда считывается. В этом случае время обращения:

, но т.к. , следовательно

Ч тобы обеспечить эффективную работу кэш-памяти, необходимо, чтобы частота попаданий была выше частоты промахов

Для отображения информации, хранящейся в кэш-памяти, каждой строке кэш присваивается определенный признак (тэг), в котором указывается, какие ячейки ОЗУ присутствуют в этой строке. Поиск информации в кэш-памяти проводится по ассоциативному правилу. Блок ячеек в ОЗУ составляет одну строку кэш-памяти.

Алгоритмы замещения страниц виртуальной памяти и кэш-памяти

Так как емкость кэш-памяти намного меньше емкости оперативной памяти, неизбежно возникает ситуация, при которой кэш будет заполнен, и в случае промаха для перемещения информации из ОЗУ не будет места, поэтому необходимо предварительно освободить место в кэш-памяти, удалив строку. Такая процедура называется замещением строк кэш-памяти (аналогично для страниц виртуальной памяти в ОЗУ).

Возникает вопрос – какую строку из кэш-памяти удалить? Возможны следующие алгоритмы замещения строк:

• случайный выбор

• удаление строки, которая была записана раньше других (принцип FIFO)

• удаление строки, к которой не было дольше всего обращения (наиболее часто используемый алгоритм)