7. Внутрішня пам’ять

Память компьютера имеет иерархическую организацию. Высший уровень, т.е. уровень, ближайший к процессору, занимают собственные регистры процессора. Далее следует кэш, разделяемый, в свою очередь, в некоторых новейших компьютерах на два уровня, L1 и L2, а за ним — оперативная память. Последняя в подавляющем большинстве современных компьютеров реализована на базе микросхем динамической памяти с произвольным дос­тупом — DRAM (dynamic random access memory). Память перечисленных выше уровней считается внутренней памятью компьютера. Память после­дующих уровней считается в компьютерной системе внешней. Верхний уро­вень внешней памяти обычно представлен жестким фиксированным маг­нитным диском, а далее следуют накопители со сменными носителями — дисками, лентами, картриджами ZIP.

• По мере перехода от верхних уровней иерархии к нижним происходит сни­жение стоимости хранения единицы информации, увеличение емкости па­мяти в отдельном устройстве и снижается быстродействие (увеличивается время доступа к информации). Конечно, было бы очень хорошо, если бы всегда можно было использовать только память верхнего, самого бистрого уровня. Но тогда компьютер будет слишком дорогим, а потому ради сниже­ния его стоимости приходится мириться с некоторым увеличением времени оступа. Желательно так организовать размещение данных и команд про­граммы в памяти, чтобы большая часть их находилась в быстродействующей памяти верхнего уровня.

* Хотя концептуально структура памяти компьютерной системы довольно проста, пожалуй, ни одна другая подсистема не может похвалиться таким разнообразием типов устройств, применяемых технологий, способов органи­зации, таким широким диапазоном значений роизводительности и стоимо­сти. Не существует технологии (которой можно было бы отдать неоспоримое предпочтение), оптимально удовлетворяющей требованиям к этому компо­ненту со стороны системы. Именно поэтому типичная компьютерная систе­ма включает несколько устройств, которые, в конце концов, выполняют од­ну и ту же функцию — сохраняют информацию. Эти устройства различают­ся в зависимости от степени их близости к

процессору. Те устройства, к которым процессор может обращаться непосредственно, относят к внутрен­ней памяти системы, а другие, доступ к которым выполняется через про­межуточный модуль ввода-вывода, — к внешней.

8.Функції і характеристики підсистеми пам’яті

Анализ различных типов устройств хранения

информации приобретет сис­тематический характер, если составить перечень ключевых характеристик таких устройств и использовать эти характеристики для классификации (табл. 4.1).

Размещение

Запоминающие устройства по месту размещения в системе делятся на внутренние и внешние. Очень часто внутренняя память отождествляется с опе­ративной, хотя в эту группу входят и другие типы ЗУ. В составе процессора имеется небольшая локальная память в виде нескольких регистров. Кроме того, как будет показано далее, устройство управления, которое организационно вхо­дит в состав процессора, также имеет собственную внутреннюю память для хра­нения микропрограмм. Роль и особенности конструкции этих типов ЗУ мы рас­смотрим в последующих главах. Другим типом внутреннего ЗУ является кэш­память, которая стала непременным компонентом всех современных процессо­ров. К внешним ЗУ относят периферийные устройства хранения информации, такие, как накопители на магнитных дисках и лентах, для доступа к которым процессору нужно обратиться к соответствующему модулю ввода-вывода.

Емкость

Емкость— одна из основных естественных характеристик любого ЗУ. Об­щепринятой единицей измерения информационной емкости является 8-битовый байт, но емкость внутренних ЗУ, кроме того, измеряется и в словах. Длина сло­ва в современных компьютерах кратна 1 байт — 1, 2 или 4 байт (8, 16 или 32 бит). Емкость внешней памяти всегда оценивается в байтах.

Передаваемая порция

При каждом обращении к внутреннему ЗУ передается (считывается из ЗУ или записывается в ЗУ) определенная порция данных. Как правило, размер порции соот-ветствует длине слова ЗУ, но это не обязательно. Почему дело обстоит именно так, станет понятнее, если пояснить смысл трех взаимосвязанных терминов.

• Слово— это "естественная" единица, отражающая организационную струк­туру ЗУ. В большинстве компьютеров размер слова оперативной памяти ра­вен количеству разрядов, используемых для представления целого числа имашинной команды, хотя из этого правила существует масса исключений. Например, в компьютере CRAY-1 используется ЗУ с длиной слова 64 бит, ацелое число представляется 24 разрядами. В компьютерах семейства VAX при длине слова ЗУ, равной 32 бит, машинные команды имеют переменнуюдлину, кратную 1 байт.

• Адресуемая единица. Во многих системах адресуемой единицей также яв­ляется слово, но иногда можно адресовать и отдельный байт, хотя словоимеет длину 2 байт или более. В любом случае между длиной(разрядностью) кода адреса А и количеством адресуемых единиц N соблю­ дается соотношение 2^A=N.

• Передаваемая порция. Для оперативного ЗУ этот параметр характеризуетколичество битов информации, считываемых или записываемых за одинцикл обращения, причем он не обязательно должен равняться длине словаили адресуемой единицы. При обращении к внешним ЗУ передаваемая пор­ция имеет значительную длину, намного превышающую длину слова, ипринято говорить, что обмен выполняется блоками.

9.Кеш-пам'ять

Повышение производительности отдельных компонентов компьютера по мере совершенствования технологии изготовления интегральных элементов идет неравно­мерно. Быстрее всего растет производительность процессоров, а темпы роста быстро­действия модулей памяти им несколько уступают, хотя во многом это объясняется возрастанием информационной емкости отдельного модуля. Из-за этого оказывается, что при обращении процессора напрямую к оперативной памяти за необходимой ему информацией — командами и данными — последняя не успевает выполнять посту­пающие заявки, и процессору приходится простаивать. В полной мере реализовать потенциальную производительность процессора можно только, согласовав какими-либо методами пропускную способность подсистемы внутренней памяти и процессо­ра. Это можно сделать, либо применяя при построении оперативной памяти более быстродействующую элементную базу, либо используя специальные структурные решения при организации иерархических уровней подсистемы памяти. Первый путь приведет к существенному удорожанию компьютера, поскольку компоненты, более быстродействующие, чем широко распространенные DRAM-модули, оказываются и на порядок дороже. Наибольшее распространение в современной практике проекти­рования компьютеров получил второй путь — включение между оперативной полу­проводниковой памятью (как правило, на основе DRAM-модулей) и процессором промежуточной быстродействующей памяти небольшой (по сравнению с общим объ­емом оперативной памяти) емкости.

Эта промежуточная память недоступна для программы в том смысле, что никак не может быть адресована машинными командами, от чего и произошло ее название — кэш-память (cache memory)*. Концепция использования блока кэш-памяти иллюстрируется схемой на рис. 4.13. В составе компьютера имеется оперативная память довольно большого объема и относительно невысокого быст­родействия и блок кэш-памяти, обладающий высоким быстродействием, но зна­чительно меньшей емкостью, чем оперативная память. В кэше временно хранит­ся копия некоторого фрагмента информации из оперативной памяти. Когда про­цессору требуется получить от подсистемы памяти очередное слово (команду или операнд), первым делом проверяется, не содержится ли уже оно в кэше. Если да (такое событие принято называть кэш-попаданием — cache hit), то это слово считывается из кэша и передается процессору. Если нет (такое событие принято называть кэш-промахом — cache miss), то из оперативной памяти в кэш считы­вается блок фиксированной длины, в составе которого имеется и требуемое сло­во, а затем это слово передается процессору. Поскольку, как уже отмечалось

выше, для процесса выполнения программы характерна локализация ссылок, можно ожидать, что с большой долей вероятности следующие запросы будут ад­ресованы словам из этого же блока. Отношение количества кэш-попаданий к общему количеству обращений процессора к данным характеризует эффектив­ность кэш-памяти (hit ratio).