5.2.2. Организация и архитектура памяти эвм
Данные, обрабатываемые ЭВМ, хранятся в оперативной памяти. Память ЭВМ реализуется запоминающими устройствами (ЗУ) - комплексом технических средств, осуществляющих запись, хранение и выдачу информации. ЗУ являются технической реализацией подсистемы хранения данных.
Основными техническими характеристиками ЗУ ЭВМ являются емкость и быстродействие. Емкость ЗУ определяет предельное количество информации, которое может разместиться в ЗУ, и выражается в битах или байтах, а чаще в более крупных единицах - килобайтах или мегабайтах. Быстродействие ЗУ оценивается временем доступа.
Время доступа к ЗУ - характеристика, указывающая, сколько времени нужно потратить для того, чтобы получить доступ к участку памяти для считывания/записи данных. Время доступа к ОЗУ современных ЭВМ составляет 50-70 нс.
К ЗУ предъявляются требования большей емкости и высокого быстродействия. Эти требования противоречивы, так как с увеличением емкости ЗУ их быстродействие уменьшается. В соответствии со значениями параметров емкости и быстродействия память ЭВМ разделяют на оперативную (ОП), реализуемую оперативными запоминающими устройствами (ОЗУ), и внешнюю (ВП), функции которой выполняют разнообразные внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Однако, несмотря на такое разделение, разница в быстродействии процессора, ОП и ВП остается очень большой. Поэтому обмен информацией между этими структурными единицами ЭВМ осуществляется через дополнительные уровни, называемые буферными. Таким образом, машинная память имеет многоуровневую структуру (рис.3).
Рис.3. Иерархия машинной памяти
Каждый уровень удовлетворяет определенным требованиям емкости и быстродействия. К первому уровню относятся регистры (Рг) и кэш - память (cache). Регистры предназначены для хранения малых объемов информации и являются промежуточным пунктом хранения данных процессором. Регистровая память обладает очень высоким быстродействием и обычно входит в состав процессора.
Кэш - память хранит информацию, к которой происходит наиболее частое обращение процессора. Это могут быть: управляющая информация операционной системы, операнды и результаты выполнения некоторых операций. Кэш-память применяется в современных ПК как устройство, существенно повышающее общую производительность: данные, содержащиеся в кэш-памяти, обслуживаются процессором за минимальное количество тактов. Память первого уровня выполняет роль буфера между ОП и процессором, сглаживая разницу в быстродействии за счет временного хранения содержимого оперативной памяти.
Второй уровень в иерархии машинной памяти образует оперативная память. ОЗУ хранит информацию, непосредственно участвующую в работе процессора. Элементной базой ОЗУ являются большие интегральные схемы (БИС). Ко второму уровню относятся также постоянные запоминающие устройства. ПЗУ хранит неизменяемую информацию, которую можно только считывать, как правило, данные об аппаратных особенностях ПК и микропрограммы базовой системы ввода/вывода операционной системы.
К третьему уровню относятся буферные ЗУ (БЗУ), использование которых повышает эффективность обмена между ВП и ОП, имеющими существенно разное быстродействие. Как правило, буферная память размещается в контроллерах ВЗУ и чем больше ее объем, тем быстрее происходит обмен.
Четвертый уровень машинной памяти образует внешняя память, которая представлена различными внешними запоминающими устройствами. На ВЗУ хранятся данные, не используемые в данный момент времени процессором, а также программы и информационные массивы. Наибольшее распространение получили ВЗУ с магнитными носителями информации: накопители на магнитных дисках (НМД), накопители на магнитных лентах (НМЛ) и накопители на магнито-оптических дисках (НМОД).