Согласование пропускных способностей микропроцессора и памяти. Кэш-память

Скорость работы ЭВМ повышается использованием более быстродействующих электронных схем, а также специальных архитектурных решений (конвейерная и векторная обработка данных и др.). Быстродействие памяти все время отстает от быстродействия микропроцессора. Для согласования применяют структурные решения: конвейеризацию процедур цикла выполнения команды, расслоение оперативной памяти, буферизацию. Расслоение оперативной памяти путем многомодульного построения с <веерной> (чередующейся) адресацией при которой смежные адреса информационных единиц соответствующих ширине выборки (слово, двойное слово и так далее) принадлежат разным модулям повышает пропускную способность оперативной памяти за счет перекрытия во времени обращения к разным модулям памяти.

Буферизация _ это использование включенных между микропроцессором и оперативной памятью существенно более чем операционная память быстродействующих буферных памятей сравнительно небольшой емкости, из-за их программной недоступности они называются <кэшами> _ тайниками. При обращении микропроцессора к оперативной памяти для считывания в КЭШ передается блок информации содержащий, в том числе и нужное слово. При этом происходит опережающая выборка, так как высока вероятность того, что ближайшие обращения будут происходить к словам этого же блока уже находящемся в кэше, это значительно уменьшает среднее время выборки данных. Эффективность кэша зависит от его емкости, размера блока, соотношения времен считывания слова из кэша и блока из оперативной памяти.

Последнее значительно уменьшается при использовании расслоения оперативной памяти. Выделяют два типа КЭШ _ памяти:

• с запоминанием новой информации одновременно в кэше и операционной памяти (сквозное запоминание), при этом всегда в операционной памяти есть последняя копия хранящейся в кэше информации. Однако в этом случае длинный цикл операционной памяти снижает цикл производительности микропроцессорного устройства;

• запоминание новой информации только в кэше и копированием ее в оперативную память только при передаче в другие устройства или при вытеснении ее из кэша.

Защита памяти

Если в памяти могут одновременно находится несколько независимых программ, необходимы специальные меры по предотвращению или ограничению обращения одной программы к областям памяти используемым другими программами. Программы могут содержать такие ошибки, которые если этому не воспрепятствовать приводят к искажению информации принадлежащей другим программам. Таким образом, надо исключать воздействие программы пользователя на работу программ других пользователей и на программно операционную систему. Для воспрепятствования разрушению достаточно защитить область памяти данной программы от попыток записи в нее со стороны других программ, а в некоторых случаях и своей программы (защита от записи). При этом допускается обращение других программ в этой области для считывания данных. В других случаях, например при обращении на доступ к информации хранящейся в системе надо иметь возможность запрещать, другим программам производить, как запись, так и чтение в данной области памяти. Такая защита от записи и чтения помогает отладке программы, при этом осуществляется контроль каждого случая выхода за область памяти своей программы. Для облегчения отладки программ желательно выявлять и такие характерные ошибки в программах, как попытки использования данных вместо команд или команд вместо данных в собственной программе, хотя эти ошибки могут и не разрушать информацию. Отмечают следующие варианты дифференцированной защиты, при различных операциях с памятью:

• задается отношение к области памяти чужой программы, определяющей относится защита только к операции с записью или к любому обращению в память;

• задается одно из следующих обращений к области памяти собственной программы:

1. разрешается доступ к данному блоку, как для записи, так и для считывания;

2. разрешается только считывание;

3. разрешается обращение любого вида по адресу взятого только из счетчика команд;

4. разрешается обращение по адресу из любого реестра кроме счетчика команд.

Если нарушается защита памяти, использование программы приостанавливается и вырабатывается запрос прерывания по нарушению защиты памяти.

Защита от вторжения программы в чужие области памяти может быть организована различным образом, при этом реализация защиты не должна заметно снижать производительность системы и требовать слишком больших аппаратных затрат.