Лекция 7 Организация подсистемы памяти
План
1. Иерархия запоминающих устройств.
2. Регистровая память.
3. Основная память.
3.1. Организация микросхем памяти.
3.2. Методы построения основной памяти.
4. Ассоциативная память.
5. Организация кэш-памяти.
5.1. Полностью ассоциативная кэш-память.
5.2. Кэш-память прямого отображения.
5.3. Наборно-ассоциативная кэш-память.
1. Иерархия запоминающих устройств
Все известные системы памяти – это системы виртуальной памяти.
При
организации ЭВМ существует противоречие,
связанное с организацией запоминающих
устройств (ЗУ). Наблюдается тенденция
увеличения требований к объему памяти
и ее быстродействию. С увеличением
объема при любой технологии время
срабатывания памяти увеличивается. Для
обеспечения быстродействия СОД нужно,
чтобы скоростные характеристики
процессора и памяти были согласованы.
Вследствие этого были разработаны
методы повышения быстродействия памяти.
С точки зрения иерархической организации, память делится на два типа: оперативную (внутреннюю) и внешнюю (вторичную) (рис. 7.1). С целью полного согласования скоростей оперативная память (ОП) делится на регистровую, сверхоперативную и оперативную. Они имеют каскадное включение. Обмен между каскадами оперативной памяти может осуществляться через центральный процессор или через специальное устройство обмена. Часть констант, необходимых операционной системе для управления вычислениями и используемых наиболее часто может храниться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).
Самый быстрый, но и минимальный по емкости тип памяти - это внутренние регистры ЦП, которые иногда объединяют понятием сверхоперативное запоминающее устройство - СОЗУ. Основная память (ОП), значительно большей емкости, располагается несколькими уровнями ниже.
Между регистрами ЦП и основной памятью часто размещают кэш-память, которая по емкости ощутимо проигрывает ОП, но существенно превосходит последнюю по быстродействию, уступая в то же время СОЗУ. В большинстве современных ВМ имеется несколько уровней кэш-памяти, которые обозначают буквой L и номером уровня кэш-памяти. На рис. 7.1 показаны два таких уровня. В последних разработках все чаще появляется также третий уровень кэш-памяти (L3), причем разработчики ВМ говорят о целесообразности введения и четвертого уровня - L4. Каждый последующий уровень кэш-памяти имеет большую емкость, но одновременно и меньшее быстродействие по сравнению с предыдущим.
Долговременное хранение больших объемов информации (программ и данных) обеспечивается внешними ЗУ, среди которых наиболее распространены запоминающие устройства на базе магнитных и оптических дисков, а также магнитоленточные ЗУ.
Еще один уровень иерархии может быть добавлен между основной памятью и дисками. Этот уровень носит название дисковой кэш-памяти и реализуется в виде самостоятельного ЗУ, включаемого в состав магнитного диска. Дисковая кэш-память существенно улучшает производительность при обмене информацией между дисками и основной памятью.
Эффект уменьшения времени доступа в память будет тем больше, чем больше время обработки данных в буферной памяти по сравнению со временем пересылки между буферной и основной памятью. Это достигается, когда процессор многократно использует одни и те же данные для выработки некоторого результата (требуется правильная организация структур данных и вычислительного процесса). Например, при чтении данных из буферной памяти в машинах баз данных помимо операции селекции можно сразу выполнять проекцию и вычисление агрегатных функций.
Иерархию памяти можно показать на примере системы, построенной на процессоре Pentium (рис.7.2).
