2. Память

Второй основной составляющей компьютера является память. Система памяти конструируется в виде иерархии слоев (рис.3.). Верхний слой состоит из внутренних регистров центрального процессора. Внутренние регистры предоставляют возможность для хранения 32 х 32 бит на 32-разрядном процессоре и 64 х 64 бит на 64-разрядном процессоре, что составляет меньше одного килобайта в обоих случаях. Программы сами могут управлять регистрами (то есть решать, что в них хранить) без вмешательства аппаратуры.

В следующем слое находится кэш-память, в основном контролируемая оборудованием. Оперативная память разделена на кэш-строки, обычно по 64 байт, с адресацией от 0 до 63 в нулевой строке, от 64 до 127 в первой строке и т.д. Наиболее часто используемые строки кэша хранятся в высокоскоростной кэш-памяти, расположенной внутри центрального процессора или очень близко к нему. Когда программа должна прочитать слово из памяти, кэш-микросхема проверяет, есть ли нужная строка в кэше. Если это так, то происходит результативное обращение к кэш-памяти, запрос удовлетворяется целиком из кэша и запрос к памяти на шину не выставляется. Удачное обращение к кэшу, как правило, по времени занимает около двух тактов, а неудачное приводит к обращению к памяти с существенной потерей времени. Кэш-память ограничена в размере, что обусловлено ее высокой стоимостью. В некоторых машинах есть два или даже три уровня кэша, причем каждый последующий медленнее и больше предыдущего.

Далее следует оперативная память (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом). Это главная рабочая область запоминающего устройства вычислительной системы. Все запросы центрального процессора, которые не могут быть выполнены кэш-памятью, поступают для обработки в основную память. При работе нескольких программ на компьютере желательно сложные программы помещать в оперативную память. Защита программ друг от друга и их перемещение в памяти реализуется посредством оборудования компьютера двумя специализированными регистрами: базовым регистром и предельным регистром.

В простейшем случае (рис.4.а), когда программа начинает работать, в базовый регистр загружается адрес начала исполняемого модуля программы, а предельный регистр говорит о том, сколько занимает исполняемый модуль программы вместе с данными. При выборке команды из памяти аппаратура проверяет счетчик команд, и если он меньше, чем предельный регистр, то добавляет к нему значение базового регистра, а сумму передает памяти. Когда программа хочет прочитать слово данных (например, из адреса 10000), аппаратура автоматически добавляет к этому адресу содержимое базового регистра (например, 50000) и передает сумму (60000) памяти. Базовый регистр дает возможность программе ссылаться на любую часть памяти, следующую за хранящимся в нем адресом. Кроме того, предельный регистр запрещает программе обращение к любой части памяти после программы. Таким образом, с помощью этой схемы решаются обе задачи: защиты и перемещения программ.

В результате проверки и преобразования данных, адрес, сформированный программой и называемый виртуальным адресом, переводится в адрес, используемый памятью и называемый физическим адресом. Устройство, которое выполняет проверку и преобразование, называется устройством управления памятью или диспетчером памяти (MMU, Memory Management Unit). Диспетчер памяти располагается или в схеме процессора, или близко к ней, но логически находится между процессором и памятью.

Более сложный диспетчер памяти состоит из двух пар базовых и предельных регистров. Одна пара предназначена для текста программы, другая пара – для данных. Командный регистр и все ссылки на текст программы работают с первой парой регистров, ссылки на данные используют вторую пару регистров. Благодаря такому механизму появляется возможность делить одну программу между несколькими пользователями при хранении в ОЗУ только одной копии программы, что исключено в простой схеме. При работе программы №1 четыре регистра располагаются так, как показано на рис.4 (б) слева, при работе программы №2 – справа. Управление диспетчером памяти является функцией операционной системы.

Следующим в структуре памяти идет магнитный диск (жесткий диск). Дисковая память на два порядка дешевле ОЗУ в пересчете на бит и больше по величине, но доступ к данным, размещенным на диске, занимает примерно на три порядка больше времени. Причиной низкой скорости жесткого диска является тот факт, что диск представляет собой механическую конструкцию. Жесткий диск состоит из одной или нескольких металлических пластин, вращающихся со скоростью 5400, 7200 или 10800 оборотов в минуту (рис.5.). Информация записывается на пластины в виде концентрических окружностей. Головки чтения/записи в каждой заданной позиции могут прочитать кольцо на пластине, называемое дорожкой. Все вместе дорожки для заданной позиции вилки формируют цилиндр.

Каждая дорожка разделена на некоторое количество секторов, обычно по 512 байт на сектор. На современных дисках внешние цилиндры содержат большее количество секторов, чем внутренние. Перемещение головки от одного цилиндра к другому занимает около 1 мс, а перемещение к произвольному цилиндру требует от 5 до 10 мс, в зависимости от диска. Когда головка располагается над нужной дорожкой, нужно ждать, пока двигатель повернет диск так, чтобы под головкой стал требуемый сектор. Это занимает дополнительно от 5 до 10 мс, в зависимости от скорости вращения диска. Когда сектор находится под головкой, процесс чтения или записи происходит со скоростью от 5 Мбайт/с (для низкоскоростных дисков) до 160 Мбайт/с (для высокоскоростных дисков).

Последний слой занимает магнитная лента. Этот носитель часто использовался для создания резервных копий пространства жесткого диска или для хранения больших наборов данных. Для доступа к информации ленту помещали в устройство для чтения магнитных лент, затем ее перематывали до запрашиваемого блока с информацией. Весь процесс длился минуты. Описанная иерархия памяти типична, но в некоторых вариантах могут присутствовать не все уровни или другие их виды (например, оптический диск). В любом случае при движении по иерархии сверху вниз время произвольного доступа значительно увеличивается от устройства к устройству, и вместимость растет эквивалентно времени доступа.

Кроме описанных выше видов во многих компьютерах есть постоянная память с произвольным доступом (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, ROM, Read Only Memory – память только для чтения), которая не теряет свое содержимое при выключении питания вычислительной системы. ПЗУ программируется в процессе производства и после этого его содержимое нельзя изменить. На некоторых компьютерах в ПЗУ находятся программы начальной загрузки, используемые при запуске компьютера, и некоторые карты ввода-вывода для управления низкоуровневыми устройствами.

Электрически стираемое ПЗУ (EEPROM, Electrically Erasable ROM) и флэш-ОЗУ (flash RAM) также энергонезависимы, но в отличие от ПЗУ их содержимое можно стереть и переписать. Однако запись данных на них требует намного больше времени, чем запись в оперативную память. Поэтому они используются точно так же, как и ПЗУ.

Существует еще один вид памяти – CMOS-память, которая является энергозависимой и используется для хранения текущей даты и текущего времени. Память получает питание от аккумулятора, встроенного в компьютер, может содержать конфигурационные параметры (например, указание, с какого жесткого диска производить загрузку).