7. Память. Организация памяти

Память – одна из наиболее важных подсистем вычислительных машин. В первую очередь от памяти зависят функциональные возможности вычислительной машины как средства обработки данных. Организация и характеристики памяти существенно влияют на общетехнические показатели вычислительных машин: производительность, стоимость, надежность [2, 6, 7].

7.1. Иерархическая организация памяти

Совокупность устройств, обеспечивающих запись, хранение и чтение информации в вычислительной машине, образует систему памяти [2]. Основными характеристиками памяти являются [2, 3, 5]:

1) информационная ёмкость;

2) время доступа к информации – промежуток времени между началом обращения процессора за данными и моментом их появления на выходе памяти;

3) стоимость хранения единицы информации (бита).

Эти параметры находятся в противоречии между собой. Например, большая информационная ёмкость не сочетается с высоким быстродействием. А быстродействие, в свою очередь, не сочетается с низкой стоимостью. Поэтому системы памяти обычно имеют иерархическую многоступенчатую организацию с использованием различных устройств.

В иерархии памяти можно выделить следующие пять уровней [5]:

1) регистровая память – набор регистров процессора, благодаря которым уменьшается число обращений к другим уровням памяти, реализованным вне процессора и требующим большого времени для операций обмена информацией;

2) кэш – память (сверхоперативная память) – служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена; работа с кэш - памятью высокого быстродействия повышает производительность вычислительных машин;

3) основная память (оперативная, постоянная, полупостоянная) – работает в режиме обмена информацией с процессором и, по возможности, согласуется с ним по быстродействию; исполняемый в текущий момент фрагмент программы обязательно находится в основной памяти;

4) специализированные виды памяти – характерны для некоторых специфических архитектур (видеопамять, многопортовая память и т.д.);

5) внешняя память – позволяет хранить большие объёмы информации; реализуется обычно на основе устройств с подвижным носителем информации (магнитные и оптические диски, магнитные ленты и др.).

В некоторых источниках [8] накопители на магнитных лентах и оптических дисках относят еще к одному уровню – архивной памяти.

Чем ниже уровень иерархии, тем выше быстродействие, но при этом также возрастает стоимость запоминающего элемента. На отдельных этапах решения какой-либо задачи в вычислительном процессе задействована относительно небольшая доля команд данных соответствующей программы. В процессе работы эту часть информации требуется обновлять. Это свойство и позволяет использовать в вычислительных системах устройства памяти с различным быстродействием. Выбор информационного объёма устройств памяти и организации обмена между ними проводятся в целях оптимизации соотношения стоимости к быстродействию всей системы памяти [2].

Далее рассмотрим типичные сигналы простейшего запоминающего устройства и разновидности современных запоминающих устройств (ЗУ).