7.5Архитектура машинной памяти
Память компьютера реализована в виде запоминающих устройств (ЗУ) - технических средств, осуществляющих запись, хранение и выдачу информации. ЗУ являются технической реализацией подсистемы хранения данных.
Основными техническими характеристиками ЗУ являются емкость и быстродействие.
Емкость ЗУ определяет предельное количество информации, которое может разместиться в ЗУ, и выражается в битах, байтах, килобайтах, мегабайтах и гигабайтах в зависимости от вида ЗУ.
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.
К ЗУ предъявляются требования большей емкости и высокого быстродействия. Эти требования противоречивы, так как с увеличением емкости ЗУ их быстродействие уменьшается. В соответствии с принципами построения ЭВМ, разработанными Дж. фон Нейманом, память компьютера должна иметь иерархическую структуру. Первоначально выделяли оперативную память (ОП), реализуемую оперативным запоминающим устройствам (ОЗУ), и внешнюю, функции которой выполняют разнообразные внешние запоминающие устройства (ВЗУ). В современных компьютерах разница в быстродействии процессора, ОП и внешней памяти остается очень большой, поэтому обмен информацией между этими структурными единицами осуществляется через дополнительные уровни (рис.8). Каждый уровень удовлетворяет определенным требованиям емкости и быстродействия.
К первому уровню относятся регистровая (Рг) и кэш - память (cache). Регистры предназначены для хранения малых объемов информации и являются промежуточным пунктом хранения данных, инструкций и результатов процессором. Регистровая память обладает самым высоким быстродействием и обычно входит в состав процессора.
Кэш-память (cache) - запоминающее устройство с малым временем доступа (во много раз меньшим, чем время доступа к оперативной памяти), используемое для временного хранения промежуточных результатов и содержимого часто используемых ячеек. Вообще кэшированием данных называется размещение данных в памяти с более быстрым доступом.
Иерархия машинной памяти
Рис. 8
Применение кэширования эффективно, когда доступ к данным осуществляется преимущественно в последовательном порядке. Тогда после первого запроса на чтение данных, расположенных в медленной памяти, можно заранее выполнить чтение следующих блоков данных в кэш-память для того, чтобы при следующем запросе на чтение данных почти мгновенно выдать их из кэш-памяти. Такой прием называется упреждающим чтением.
Кэш-память применяется в современных ПК как устройство, существенно повышающее общую производительность: данные, содержащиеся в кэш-памяти, обслуживаются процессором за минимальное количество тактов. В современных процессорах характерно использование кэша первого уровня (Level 1 или L1-кэша), расположенного непосредственно на кристалле процессора, и более медленного кэша второго уровня (Level 2 или L2-кэша), расположенного в другой микросхеме или вообще на другой плате. При этом кэш первого уровня кэширует L2-кэш, а тот, в свою очередь, кэширует еще более медленную оперативную память.
Таким образом, первый уровень памяти выполняет роль буфера между оперативной памятью 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. 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 (Basic Input/Output System - BIOS). BIOS позволяет компьютеру при включении выполнить три основные операции:
распознать, какие устройства установлены в ПК;
получить указания, откуда и как считать загрузчик операционной системы;
определить, как именно организовать взаимосвязь между центральным процессором и остальными устройствами (дисководами, монитором, памятью, клавиатурой и т.п.).
В последнее время в ПК устанавливают дополнительно CMOS - память, предназначенную для хранения данных о конфигурации компьютера (объеме ОЗУ, типе внешних запоминающих устройств и т.д.).
К третьему уровню относятся буферные ЗУ (БЗУ), использование которых повышает эффективность обмена между внешней и оперативной памятью, 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.