2.5Многоуровневая организация памяти электронных вычислительных машин

Определение 1 (ГОСТ): память – это часть ЭВМ, предназначенная для запоминания и выдачи информации по запросам.

Функции памяти: прием информации на хранение по запросам записи, хранение, выдача информации по запросам чтения.

Память современных ЭВМ строится по трехуровневой иерархической схеме (рисунок 2.11). Первый уровень памяти состоит из РОН и кэш-памяти и строится на базе сверхоперативных ЗУ (СОЗУ). Второй уровень памяти состоит из ячеек ООП и строится на базе ОЗУ. Третий уровень памяти составляют ЗУ, информация которых напрямую недоступна ЦП. Строится она на базе различного рода внешних ЗУ (ВЗУ): накопителей на магнитных дисках (НМД), накопителей на магнитных лентах (НМЛ), накопителей на оптических дисках (НОД) и др.

Рисунок 2.11

Определение 2: память ЭВМ - это совокупность ЗУ, объединенных в единую систему, управляемую ЦП.

Память первого уровня (т.н. СОП) строится на основе СОЗУ небольшой емкости и сверх высокого быстродействия. Например, количество РОН в разных типах ЭВМ измеряется единицами, десятками, быстродействие в несколько раз (3-5) выше быстродействия ОЗУ. Удельная стоимость хранения информации – высокая.

Память второго уровня (ООП): емкость большая, измеряется МВ, быстродействие высокое, удельная стоимость умеренная.

Память третьего уровня (ВП) строится на базе ВЗУ (НМД, МОД, НМЛ и др.) очень большой емкости, но не высокого быстродействия и удельной стоимости.

Трехуровневая организация обеспечивает существенное увеличение емкости памяти при умеренном росте ее стоимости: S=δ₁E₁+δ₂E₂+δ₃E_3.и умеренном быстродействии: V₁>V_пам>V₂>>V₃. Доказательство: δ₁> δ₂>> δ_3, E₃>> E₂>> E_1.

Это компромиссное решение. Чем больше емкость E и выше быстродействие V памяти, тем выше производительность ЭВМ. С другой стороны, чем больше E и V, тем больше стоимость памяти. Отсюда противоречие в смысле цены производительности: I=S/ - что растет больше - числитель или знаменатель? При трехуровневой организации знаменатель растет больше, чем числитель. Следовательно, цена производительности уменьшается и эффективность растет.

Совсем простое обоснование. Первое, СОП увеличивает быстродействие ОП и, следовательно, быстродействие ЦП и скорость обработки информации. Второе, ВП существенно снижает удельную стоимость всей памяти. Другая причина появления ВП - съемные носители информации, которые можно использовать индивидуально, т.е. как средства ввода/вывода больших объемов информации.

2.6Средства защиты основной оперативной памяти

В ЭВМ, работающих в мультипрограммных режимах, каждой задаче (программе) выделяется своя область ОП (ОП делится на части). Естественно, эти области должны быть недоступны другим задачам. Эта недоступность обеспечивается специальными средствами защиты памяти: они должны обеспечить защиту информации от несанкционированного доступа к ней. Информация хранится не только в ОП, поэтому сначала рассмотрим общие вопросы защиты информации в ЭВМ.

В общем случае различают 3 уровня защиты информации: правовой (законодательный), административный, аппаратно-программный (технический).

Все возможные системы защиты информации в мировой практике принято классифицировать по следующим уровням безопасности: А, В, С, D. Причем уровень А является высшим, наиболее защищенным, а D – низшим, не защищенным. В свою очередь на уровнях А, В, С различают несколько подуровней (в порядке убывания защищенности): А1,В3,В2,В1,С2,С1,D. Защищенность известной ОС MS DOS соответствует уровню D, а ОС UNIX – уровню С1.

З

Рисунок 2.13

Рисунок 2.13

десь рассмотрим только аппаратные методы защиты информации. Простейший способ защиты ОП - слежение за границами области памяти, выделенной задаче: при каждом обращении к ОП по исполнительному адресу А проверяется его принадлежность интервалу [А_в,А_н], где А_в,А_н (А_н>А_в) – адреса нижней и верхней границ области памяти. Если А не принадлежит этому интервалу, то обращение по адресу А блокируется и вырабатывается сигнал прерывания «нарушение защиты ОП». Если он не замаскирован, то вызывает прерывание. Назначение группы адресов осуществляет ОС. Схема защиты по методу граничных адресов представлена на рисунке 2.12. Ее недостатки: не гибкая система с точки зрения распределения ОП, существенные затраты оборудования. Их можно уменьшить, если защищать с точностью не до ячеек, а до страниц емкостью Е=2^k (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13

Для защиты информации в ОП можно использовать другой, более гибкий способ - механизм защиты типа «замок-ключ», который используется в ЭВМ типа IBM 370. Суть: ОС выделяет задаче (программе) одну или несколько страниц в ОП, причем не обязательно соседних. На каждую из которых “вешает” одинаковые замки, которые можно открыть одним и тем же ключом (замков много, ключ – один, у пользователя - так называемый ключ программы). Для хранения ключей программ (страниц) используется так называемая таблица страниц, которой ведает ОС. Схема защиты представлена на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14