5.1. Концепция многоуровневой памяти

            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, высокоебыстродействие 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. В основе большинства ЭВМ лежит трехуровневая организация памяти: сверхоперативная (СОЗУ) — оперативная (ОЗУ) — внешняя (ВЗУ). СОЗУ и ОЗУ могут непосредственно взаимодействовать с процессором, ВЗУ взаимодействует только с ОЗУ.

            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.

            Быстродействие ОЗУ может быть ниже процессорного (не более чем на порядок), а объем составляет 10⁵ — 10⁷ байтов. В ОЗУ располагаются подлежащие выполнению программы и обрабатываемые данные. Связь между процессором и ОЗУ осуществляется по системному или специализированному интерфейсу и требует для своего осуществления машинных циклов.

            Информация, находящаяся в ВЗУ, не может быть непосредственно использована процессором. Для использования программ и данных, расположенных в ВЗУ, их необходимо предварительно переписать в ОЗУ. Процесс обмена информацией между ВЗУ и ОЗУ осуществляется средствами специального канала или (реже) — непосредственно под управлением процессора. Объем ВЗУ практически неограничен, а быстродействие на 3 — 6 порядков ниже процессорного.

            Схематически взаимодействие между процессором и уровнями памяти представлено на рис. 5.1.

 

            Следует помнить, что положение ЗУ в иерархии памяти ЭВМ определяется не элементной базой запоминающих ячеек (известны случаи реализации ВЗУ на БИС — "электронный диск" и, наоборот, организация оперативной памяти на электромеханических ЗУ — магнитных барабанах), а возможностью доступа процессора к данным, расположенным в этом ЗУ.

            При организации памяти современных ЭВМ (МПС) особое внимание уделяется сверхоперативной памяти и принципам обмена информацией между ОЗУ и ВЗУ.

 

5.2. Сверхоперативная память

            Применение СОЗУ в иерархической памяти ЭВМ может обеспечить повышение производительности ЭВМ за счет снижения среднего времени обращения к памяти Т при условии, что время цикла СОЗУ Тс будет (значительно) меньше времени цикла ОЗУ Т~. Очевидно:

 где р_c — вероятности обращения к СОЗУ. Обозначим так же: р_o — вероятности обращения к ОЗУ.

            Из (5.1) следует, что повышение производительности ЭВМ может осуществляться двумя путями:

            уменьшением отношения — 

 

             увеличением вероятности р_c обращения в СОЗУ.

            Первый путь связан, прежде всего, с технологическими особенностями производства БИС и здесь не рассматривается.

            Если считать, что информация размещается в СОЗУ и ОЗУ случайным образом, то вероятности р_c и р_o пропорциональны объемам соответствующих ЗУ. В этом случае р_c < р_o и наличие в ЭВМ СОЗУ практически не влияет на ее производительность.

            То же можно было бы сказать и о ситуации, когда отношение  =1; но не следует забывать, что наличие в ЭВМ СОЗУ с прямой адресацией (POH) позволяет включать в систему команд короткие команды, использовать косвенно-регистровую адресацию и, в конечном итоге, увеличивать производительность ЭВМ даже при Т_с = Т_o.

            Итак, для эффективного применения СОЗУ следует таким образом распределять информацию по уровням памяти ЭВМ, чтобы в СОЗУвсегда располагались наиболее часто используемые в данный момент коды.

            Принято различать СОЗУ по способу доступа к хранимой в нем информации. Известны два основных класса СОЗУ по этому признаку:

            • с прямым доступом;

            • с ассоциативным доступом.