6.2 Структура памяти универсальной эвм
Для увеличения эффективности ЭВМ необходимо уменьшать стоимость и увеличивать быстродействие и ёмкость памяти. Поскольку сочетать эти 3 характеристики в одном ЗУ невозможно, приходиться находить компромиссное решение, используя для организации памяти комплекс из нескольких разнотипных ЗУ. За счёт этого удаётся построить память приемлемой стоимости с необходимой ёмкостью и быстродействием. Память универсальных ЭВМ строится по схеме рис 6.2. и в структурном отношении разделяется на 2 уровня: оперативную память (ОП) и внешнюю память (ВП).
Рисунок 6.2 – Структура памяти универсальной ЭВМ,
где: К1, К2, К3 – каналы, НОД, МД, МЛ – накопители на оптических, магнитных дисках и магнитных лентах, УУ – устройства управления внешней памятью.
Информация (программы и данные), обрабатываемая процессором в текущий момент времени, хранится в ОП, которая состоит из нескольких быстродействующих ЗУ.
Во многих случаях быстродействия ЗУ оказывается недостаточным для обеспечения требуемой скорости процессора. Тогда между процессором и ЗУ ставится буферное ЗУ (БЗУ), иначе называемое сверхоперативным ЗУ, кэш-памятью различных уровней. В качестве БЗУ используются плёночные или полупроводниковые ЗУ с минимальным циклом обращения. В БЗУ хранятся слова информации, наиболее интенсивно используемые процессором при решении задач. При этом значительная часть обращений процессора к ОП обслуживается БЗУ, в результате чего суммарная производительность буферного и оперативного ЗУ оказывается достаточной для обеспечения работы процессора.
Информация, размещаемая в ОП может обеспечить непрерывную работу процессора в течение небольшого промежутка времени, не превышающего несколько секунд. По истечении этого времени возникает необходимость загрузки в ОП новых порций информации, затребованных программами, и, следовательно, вывода из памяти части информации на место которой будет вводиться новая информация. Для хранения основной доли информации, с которой оперирует ЭВМ, используются ЗУ большой емкости, структурно входящие в часть внешней памяти ЭВМ. ВП состоит из совокупности ВЗУ, в качестве которых используется ЗУ большой ёмкости, а наиболее часто НМБ, НМД, НОДи НМЛ. Процессор не имеет прямого доступа к информации, хранимой в ВП. Эта информация становится доступной процессору только после выполнения операции ввода-вывода, вызывающей передачу информации в ОП.
В памяти ЭВМ хранится информация, имеющая отношение к задачам, обрабатываемым ЭВМ на данном отрезке времени. Прочие программы и данные размещаются на сменных носителях (сменных оптических, магнитных дисках и лентах), совокупность которых образует архив ЭВМ.
ВЗУ подключаются к ОП посредством КВВ (К1, К2 и К3). Каналы выполняют операции ввода-вывода, инициируемые процессором. Отдельная операция вызывает передачу информации между двумя заданными областями памяти: области ОП и области ВЗУ. Обычно к одному каналу подключается несколько ВЗУ. Команды управления, вызывающие перемещение механизма доступа или носителя, могут выполняться параллельно на нескольких ЗУ. Во время передачи информации любое ВЗУ монополизирует канал, в результате чего доступ к остальным ЗУ, подключённым к этому же каналу в это время становится невозможным. Если используется М каналов, то в памяти ЭВМ могут развиваться одновременно М процессов обмена информации между ОП и ВЗУ. Таким образом, mВЗУ, подключённых к одному каналу, можно рассматриватькак одно ЗУ, имеющее m-кратную ёмкость и в mраз меньшее время доступа. При наличии М каналов затраты времени на передачу информации уменьшаются примерно в М раз.
Обмен информацией между ЗУ ЭВМ организуются системой управления данными, являющейся частью операционной системы (ОС). Запросы на передачу информации возникают в ОС в момент инициирования задач и в программах, описывающих алгоритмы решения задач. Запросы поступают в систему управления данными , которая планирует порядок их выполнения и формирует совокупность команд ВВ, обеспечивающих поиск и передачу затребованной информации. Команды ВВ исполняются КВВ и УУ соответствующих ЗУ. Порядок использования ЗУ в процессе решения задачи планируется программистом при составлении программы , а место хранения информации конкретизируется супервизором памяти, распределяющим ресурсы памяти между задачами.
В зависимости от порядка использования ВЗУ в процессе решения задач, т.е. в функциональном отношении , память может разделяться на более чем 2 уровня. Память будет двухуровневой в функциональном отношении, если при решении задач для хранения каждого набора данных используется только одно ВЗУ, что исключает необходимость передислокации информации ВЗУ. Пример распределения потоков информации в двухуровневой памяти приведён на рисунке 6.3а. Данные читаются в ОП с ленты МЛ1 и результаты обработки записываются на ленту МЛ2. Для хранения других наборов данных используется диск МД. В этом случае ОП относится к первому уровню, а ВЗУ, МЛ1, МЛ2 и МД – ко второму. В памяти выделяются 3 и более уровня, если в процессе решения задач имеет место передислокация данных между различными ВЗУ. Так, ЗУ могут использоваться по схеме рис 6.3б, соответствующей трёхуровневой памяти. Перед началом решения задачи данные, хранимые на МЛ1 переносятся на МД. Обработка данных происходит с использованием ресурсов МД, после чего результаты выводятся из МД на МЛ2. В этом случае ЗУ на МЛ1 и МЛ2 образуют третий уровень памяти. Из рисунков6.2 и 6.3 ясно, что ВЗУ могут взаимодействовать друг с другомтолькочерезОП.
Взаимодействие ЗУ при трёхуровневой организации памяти можно представить менее подробной схемой рис 6.3в. Такой способ функциональной организации памяти позволяет значительно уменьшить время решения задач, если обращение к сегментам данных происходит многократно, что требует пересылки данных из медленно действующих ВЗУ в быстродействующие.
Рисунок 6.3 – Структурная организация многоуровневой памяти