8. Архитектура подсистемы памяти пэвм. Классификация устройств хранения данных, их основные характеристики.

Архитектура памяти

Память микропроцессорной системы представляет собой иерархическую структуру. В основе реализации иерархии памяти современных компьютеров лежат два принципа: принцип локальности обращений и соотношение стоимость/производительность. Принцип локальности обращений говорит о том, что большинство программ к счастью не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.

Иерархия памяти современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем более высокий уровень меньше по объему, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и так далее, пока мы не достигнем основания иерархии.

Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени мы имеем дело только с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком. Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.

Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются соответственно попаданием (hit) или промахом (miss). Попадание - есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне. Доля попаданий (hit rate) или коэффициент попаданий (hit ratio) есть доля обращений, найденных на более высоком уровне. Иногда она представляется процентами. Доля промахов (miss rate) есть доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.

Устройства хранения данных

Устройства хранения данных относятся к внешней памяти компьютера — они позволяют сохранять информацию для последующего ее использования независимо от состояния (включен или выключен) компьютера. В устройствах хранения данных могут быть реализованы различные физические принципы хранения информации — магнитный, оптический, электронный в любых их сочетаниях. Внешняя память принципиально отличается от внутренней (оперативной) способом доступа к этой памяти процессора (исполняемой программы). Устройства внешней памяти оперируют блоками информации, но никак не байтами или словами, как, например, оперативная память. Эти блоки обычно имеют фиксированный размер, кратный степени числа 2. Блок может быть переписан из внутренней памяти во внешнюю или обратно только целиком, и для выполнения любой операции обмена с внешней памятью требуется специальная процедура (подпрограмма). Процедуры обмена с устройствами внешней памяти привязаны к типу устройства, его контроллеру и способу подключения устройства к системе (интерфейсу).

По устойчивости записи и возможности перезаписи устройства хранения данных делятся на:

• Постоянные ЗУ (ПЗУ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, BIOS). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.

• Записываемые ЗУ (ППЗУ), в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз (например, CD-R).

• Многократно перезаписываемые ЗУ (ПППЗУ) (например, CD-RW).

• Оперативные ЗУ (ОЗУ) обеспечивают режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки. Быстрые, но дорогие ОЗУ (SRAM) строят на триггерах, более медленные, но дешёвые разновидности ОЗУ — динамические ЗУ (DRAM) строят на конденсаторах. В обоих видах ЗУ информация исчезает после отключения от источника питания (например, тока).

По методу доступа к информации устройства хранения данных разделяются на устройства с прямым (или непосредственным) и последовательным доступом.

Прямой доступ подразумевает возможность обращения к блокам по их адресам в произвольном порядке. Традиционными устройствами с пря­мым доступом являются дисковые накопители, и часто в понятие «диск», или «дисковое устройство» вкладывают значение «устройство внешней памяти прямого доступа». Так, например, виртуальный диск в ОЗУ и электрон­ный диск на флэш-памяти отнюдь не имеют круглых, а тем более вращающихся деталей.

Традиционными устройствами с последовательным доступом являются накопители на магнитной ленте, они же стримеры. Здесь каждый блок информации тоже может иметь свой адрес, но для обращения к нему уст­ройство хранения должно сначала найти некоторый маркер начала ленты (тома), после чего последовательным холостым чтением блока за блоком дойти до требуемого места и только тогда производить собственно операции обмена данными. Конечно, каждый раз возвращаться на начало ленты необязательно, однако необходимость последовательного сканирования блоков (вперед или назад) — неотъемлемое свойство устройств последовательного доступа. Несмотря на очевидный проигрыш во времени доступа к требуемым данным, ленточные устройства последовательного доступа в качестве внешней памяти находят применение для хранения очень больших массивов информации. В отличие от них устройства прямого доступа — диски самой различной природы — являются обязательной принадлежностью подавляющего большинства компьютеров.

По геометрическому исполнению устройства хранения делятся на:

• дисковые (магнитные диски, оптические, магнитооптические);

• ленточные (магнитные ленты, перфоленты);

• барабанные (магнитные барабаны);

• карточные (магнитные карты, перфокарты, флэш-карты, и др.)

• печатные платы (карты DRAM, картриджи).

По физическому принципу:

• перфорационные (с отверстиями или вырезами)

• с магнитной записью

• оптические

• магнитооптические:

• использующие накопление электростатического заряда в диэлектриках (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки);

• использующие эффекты в полупроводниках (EEPROM, флэш-память)

Главная характеристика устройств — емкость хранения, измеряемая в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах и терабайтах (Кбайт, Мбайт, Гбайт, Тбайт, или в английской транскрипции КВ, МВ, СВ, ТВ, или, еще короче — К, М, С, Т). Здесь, как правило, приставки кило-, мега-, гига-, тера- имеют десятичные значения — 10³, 10⁶, 10⁹ и 10¹² соответственно. В других подсистемах компьютера, нап­ример при определении объема ОЗУ, ПЗУ и другой внутренней памяти, эти же приставки чаще применяют в двоичных значениях 2¹⁰, 2²⁰, 2³⁰ и 2⁴⁰ соответственно, при этом 1 Кбайт = 1024 байт, 1 Мбайт = 1024 Кбайт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт, 1 Тбайт = 1024 Гбайт. Этими разночтениями объясняются различия значений емкости одного и того же устройства, полученных из разных источников. «Двоичные» кило-, мега-, гига-, тера- более «увесисты», поэтому емкость устройства, выраженная в десятичных единицах, будет выглядеть внушительнее. Так, например, объем памяти в 528 Мбайт (десятичных) составляет 504 Мбайт (двоичных).

Устройства внешней памяти могут иметь сменные или фиксированные носители информации. Применение сменных носителей позволяет хранить неограниченный объем информации, а если носитель и формат записи стандартизованы, то они позволяют еще и обмениваться информацией между компьютерами. Существуют устройства с автоматической сменой носителя - ленточные карусели, дисковые устройства JuкеВох. Эти достаточно дорогие устройства применяют в мощных файл-серверах. Для настольных машин имеются накопители СD-RОМ с несколькими дисками (СD-сhаngеr), сменяемыми автоматически.

Важнейшими общими параметрами устройств являются время доступа, скорость передачи данных и удельная стоимость хранения информации.

Время доступа (ассеs time) определяется как усредненный интервал от выдачи запроса на передачу блока данных до фактического начала передачи. Дисковые устройства имеют время доступа от единиц до сотен миллисекунд. Для электронных устройств внешней памяти время доступа определяется быстродействием используемых микросхем памяти и при чтении составляет доли микросекунд, причем запись может продолжаться значительно дольше, что объясняется природой энергонезависимой электронной памяти. Для устройств с подвижными носителями основной расход времени имеет место в процессе позиционирования головок (seek time — время поиска) и ожидания подхода к ним требуемого источника носителей (latency — скрытый период). Для дисковых и ленточных устройств принципы позиционирования различны, и различные составляющие процесса поиска.

Скорость записи и считывания определяется как отношение объема записываемых или считываемых данных ко времени, затрачиваемому на эту операцию. В затраты времени входит и время доступа, и время передачи данных. При этом оговаривается характер запросов — линейный или случайный, что сильно сказывается на величине скорости из-за влияния времени доступа. При определении скорости линейных запросов чтения-записи производится обращение к длинной цепочке блоков с последовательным нарастанием адреса. При определении скорости случайных запросов чтения-записи - соседние запросы разбросаны по всему носителю. Для современных многозадачных ОС характерно чередующееся выполнение нескольких потоков запросов, и в каждом потоке высока вероятность последовательного нарастания адреса.

Скорость передачи данных определяется как производительность обмена данными, измеряемая после выполнения поиска данных. Однако в способе измерения этого параметра возможны разночтения, поскольку современные устройства имеют в своем составе буферную память существенных размеров. Скорости обмена буферной памяти с собственно носителем (внутренняя скорость) и с внешним интерфейсом могут существенно различаться. Если скорость работы внешнего интерфейса ограничивается быстродействием электронных схем и достижимой частотой передаваемых сигналов, то внутренняя скорость более жестко ограничивается возможности электромеханических устройств, (скоростью движения носителя и плотностью записи). При измерениях скорости передачи на небольших объемах пересылок проявится ограничение внешнего интерфейса буферной памяти, при средних объемах — ограничение внутренней скорости, а при больших объемах проявится еще и время поиска последующих блоков информации. Бывает, что в качестве скорости передачи данных указывают лишь максимальную скорость интерфейса, а о внутренней скорости можно судить по частоте вращения дисковых носителей и числу секторов на треке.

Определение удельной стоимости хранения информации для накопителей с фиксированными носителями пояснения не требует. В случае сменных носителей этот показатель интересен для собственно носителей, но не следует забывать и о цене самих приводов, которую тоже можно приводить к их емкости.

По отношению к корпусу компьютера устройства могут быть внутренними и внешними.

Внутренние устройства помещаются в специальные трех- или пятидюймовые отсеки корпуса компьютера и питаются от его же блока питания. В описании корпусов компьютеров отсеки также подразделяются на внешние и внутренние, но они различаются лишь тем, может ли передняя панель устройства, установленного в отсек, выходить на лицевую панель корпуса или нет.

Внешние устройства помещают в отдельный корпус, а питаются они от собственного блока питания или перехватывают питание +5 В от разъе­ма клавиатуры компьютера. Внешнее исполнение имеют как малогабаритные портативные устройства, так и особо крупные дисковые массивы. Сами приводы для внешних и внутренних устройств обычно имеют одинаковый конструктив одного из распространенных форматов.

36