Структура памяти
Программа может выполняться компьютером только в том случае, если она размещена в оперативной (основной) памяти. Оперативная память – единственная большая область памяти, к которой компьютер может обращаться непосредственно. Это массив слов или байтов, размером от сотен тысяч до сотен миллионов. Каждое слово имеет свой собственный адрес. Обмен осуществляется с помощью команды загрузки содержимого памяти в регистр и выгрузки содержимого регистра в память. Кроме того, центральный процессор автоматически выбирает команды из ОП для выполнения.
Обычно, например, в компьютерах с фон Неймановской архитектурой, команда выбирается из ОП и размещается в специальном регистре команды (instruction register). Затем команда дешифруется, а операнды, если они есть, выбираются из ОП и размещаются в нескольких внутренних регистрах. После того как действия над операндами выполнены, результат может быть записан обратно в основную память.
В идеале хотелось бы, чтобы программы и данные находились в основной памяти. Однако постоянно хранить их там невозможно по следующим двум причинам:
основная память обычно слишком мала для размещения всех необходимых программ и данных;
содержимое основной памяти теряется при отключении питания.
Поэтому в большинстве компьютеров имеется так называемая вторичная память как продолжение основной, то есть внешние запоминающие устройства. Главное назначение вторичной памяти – длительное хранение больших массивов данных.
В качестве накопителя вторичной памяти обычно используется магнитный диск, на котором размещаются как программы, так и данные.
Все разнообразие запоминающих устройств компьютера может быть организовано в иерархию по убыванию времени доступа, возрастанию цены и увеличению емкости, изображенную на рис.2.2.
Многоуровневую схему используют следующим образом. Информация, которая находится в памяти верхнего уровня, обычно хранится также на более низких уровнях. Если процессор не обнаруживает нужную информацию на некотором уровне, он начинает искать ее на нижележащих уровнях. Когда нужная информация найдена, она переносится в более быстрые уровни.
Обычно в центральной части сосредоточены регистры процессора, основная память и кэш-память.
Система команд центрального процессора содержит команды, позволяющие работать с регистрами и основной памятью. Работа с кэш-памятью осуществляется на аппаратном уровне контроллером кэш-памяти. Для работы с вторичной (внешней) памятью нужна программа. Таким образом, программно-доступными являются основная и вторичная память, а также регистры центрального процессора. Кэш-память программно недоступна.
Рисунок 2.3 - Иерархия запоминающих устройств компьютера
Классический состав памяти центральной части включает:
регистры процессора (CPU registers);
основную (оперативную) память (main memory).
Метод доступа к адресуемым элементам памяти центральной части называется произвольным (random access). Это означает, что все элементы доступа равнодоступны и для доступа к ним не требуется просмотра других элементов (direct access), и время доступа не зависит от адреса (arbitrary access). На практике контроллер открывает доступ к содержимому регистра/ячейки, используя в качестве входной информации адрес регистра/ячейки. Причем последовательность адресов на вход контроллера может следовать в произвольном порядке.
Адресное пространство буферных запоминающих устройств ввода-вывода может быть частью адресного пространства основной памяти. Например, контроллер видеодисплея компьютеров IBM PC и Apple Macintosh.
Время доступа к ячейкам основной памяти в несколько раз больше, чем время доступа к регистрам. Поэтому часто, с целью уменьшения среднего времени доступа к памяти центральной части в архитектуру компьютера включают блок памяти, называемый кэш-память (cache-memory). Кэш-память обладает временем доступа равным или соизмеримым со временем доступа к регистрам. В кэш-память поблочно копируется информация из основной памяти. Эффективность кэш-памяти с точки зрения увеличения производительности во многом зависит от стратегии копирования. Вначале центральный процессор проверяет наличие требуемых данных в кэш-памяти, а затем в основной. Хорошая стратегия копирования обеспечивает нахождение информации в кэш-памяти в 80% - 99% случаев обращения процессора к памяти.
Необходимость вторичной памяти обусловлена двумя причинами:
емкость основной памяти недостаточна для хранения всех программ и данных;
основная память энергозависима и ее содержимое теряется после отключения напряжения питания.
В качестве накопителя вторичной памяти обычно используется магнитный диск. Накопитель на магнитном диске обычно состоит из нескольких дисков, покрытых слоем магнитного материала и расположенных на общей оси вращения. В процессе работы диски вращаются с постоянной скоростью. Информация наносится на поверхность магнитного материала побитно в виде концентрических окружностей, называемых дорожками (tracks). Любая дорожка содержит одинаковое количество информации. Дорожки разделены на секторы (sectors). Сектор является наименьшей адресуемой порцией информации для магнитного диска.
Запись/считывание данных осуществляется без остановки диска с помощью универсальных головок чтения/записи. Головки устанавливаются на соответствующую дорожку с помощью механизма доступа.
Накопители на магнитном диске отличаются количеством поверхностей, диаметром дисков, возможностью легкого извлечения накопителя из компьютера.