Организация памяти первого уровня

Классификация запоминающих устройств

Деление ЗУ на классы осуществляется по различным признакам.

По способу доступа к информации ЗУ принято делить на ЗУ с произвольным (прямым) доступом и ЗУ с последовательным доступом к информации (рисунок 6.2).

К ЗУ с произвольным доступом относятся ЗУ, в которых доступ к любой адресуемой ячейке обеспечивается схемой селекции напрямую и не зависит от предыстории обращений к устройству.

В ЗУ с последовательным доступом схема селекции организована таким образом, что доступ к адресуемой ячейке зависит от того, какое положение занимает адресуемая ячейка относительно средств чтения/записи в момент обращения.

ЗУ с последовательным доступом в свою очередь делятся на ЗУ с периодическим (циклическим) доступом и ЗУ с апериодическим (нециклическим) доступом к информации.

В последовательных ЗУ с апериодическим доступом выбор ячейки с адресом А = n + N осуществляется путем последовательного перебора ячеек с адресами n + 1, n + 2, …, n + (N-1), где n - номер ячейки, к которой производилось последнее обращение. При этом время доступа t_д = (N-1) t_яч, где t_яч ‑ время обращения к одной ячейке. Пример: накопители на магнитной ленте (НМЛ).

В последовательных ЗУ с циклическим доступом к информации доступ к адресуемой ячейке предоставляется периодически с периодом T = 1/w, где w - угловая скорость вращения носителя информации относительно неподвижных средств чтения/записи. Время доступа к ним является случайной величиной, которая лежит в пределах от 0 до T, среднее время доступа t_д.ср=Т/2.

Пример такого рода ЗУ - накопитель на магнитном барабане (устаревший тип ЗУ).

Накопители на магнитных дисках (НМД) относятся и к ЗУ со смешанным типом доступа. В них обеспечивается произвольный доступ по одной координате (адресу), последовательный периодический доступ по другой координате и последовательный апериодический доступ по третьей координате, так как в НМД информация адресуется по трем координатам.

В зависимости от принципа (средства) хранения информации ЗУ делятся на: 1) полупроводниковые ЗУ ‑ на основе электронных ЗЭ; 2) ЗУ на основе магнитных носителей информации ‑ магнитных «запоминающих элементов»; 3) ЗУ на основе оптических носителей информации ‑ оптических ЗЭ.

В зависимости от положения информации относительно средств ЧТ/ЗП различают ЗУ статического и динамического типа. К ЗУ статического типа относятся электронные ЗУ, в которых и информация и средства ЧТ/ЗП неподвижны, статичны. В ЗУ динамического типа в движении находится либо информация, либо средства ЧТ/ЗП.

ЗУ динамического типа в свою очередь делятся на ЗУ с подвижным и неподвижным носителем информации. К ЗУ с подвижным носителем информации относятся НМЛ, НМД, НОД.

К ЗУ с неподвижным носителем информации относятся ЗУ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). В них движется информация относительно неподвижного носителя и неподвижных средств ЧТ/ЗП (информация хранится в динамике).

По способу организации схемы селекции ЗУ делятся на адресные и безадресные. Безадресные в свою очередь делятся на ассоциативные, стековые и магазинные.

В зависимости от специфики использования информации ЗУ делятся на 3 типа: 1) ЗУ с частой сменой информации в процессе функционирования ЭВМ; 2) ЗУ с редкой сменой и 3) ЗУ без смены информации (постоянные ЗУ).

К ЗУ с частой сменой относятся СОЗУ, ОЗУ, ОВЗУ (НМД).

К ЗУ с редкой сменой относятся перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ).

К ЗУ без смены относятся постоянные ЗУ (ПЗУ, ПВЗУ - CD ROM).

В зависимости от того, требуется питание для хранения информации или нет, различают ЗУ энергозависимые и энергонезависимые.

Основное назначение памяти первого уровня (СОП) - повысить быстродействие памяти ЭВМ и, следовательно, быстродействие ЦП. Действительно, время выполнения команды определяется суммой:

Т_ком = t_ком + n t_опер + t_вып + t_рез (6.2)

и, как видно из этого выражения, существенно зависит от времени обращения к памяти ЭВМ. Время выполнения команды можно существенно уменьшить, если сократить время обращения к памяти. Как? 1) Увеличивая быстродействие основной памяти (это дорого и непросто); 2) между ОП и ЦП поставить СОП в качестве буфера (рисунок 6.3).

Исторически первым появился буфер данных в виде известных регистров общего назначения (РОН) (рисунок 6.4). РОН в качестве СОП выполняются на основе триггеров, объединенных в регистры.

В РОН программист размещает часто используемые данные, обращение к которым осуществляется быстрее(в 3 - 5 раз), чем к ячейкам ОП. В результате команды, которые оперируют данными из РОН, выполняются быстрее. Пример: команды типа регистр-регистр RR, регистр-память RS выполняются быстрее, чем команды типа память-память SS. Конструктивно РОН обычно располагают на одном кристалле (плате) вместе с ЦП (рисунок 6.5).

Второй вариант организации буфера - буфер, недоступный, скрытый от программиста - Cache Memory (скрытая память - пунктир на рисунке 6.5). Кэш-буфер и используется как для хранения команд, так и для хранения данных. Емкость кэш-буфера - десятки, сотни КВ. ”Скрытость” кэш-буфера обеспечивает специальный механизм, который реализует автоматический (аппаратно-управляемый) обмен между ОП и буфером. Единицей обмена обычно является более крупная, чем слово, величина - т.е. строка кэша длиной в несколько слов. Более крупная единица обмена сокращает частоту обменов с ОП. В случае пословного обмена каждое слово в ОП, к которому обращается ЦП, размещается (дублируется) в соответствующей ячейке СОП. В случае более крупной единицы обмена в кэш дублируется целиком тот блок информации, к отдельному слову которого обращается ЦП. При этом существует большая вероятность, что последующие обращения со стороны ЦП будут к соседним словам этого блока и, следовательно, будут обслуживаться кэш-памятью без дополнительных обращений к ОП.

Стратегия автоматического обмена кэша с ОП обычно следующая. Если адресуемое ЦП слово есть в кэш-памяти, то обращение к нему обслуживается кэшем. Если адресуемого слова нет в кэше, то обращение производится к ОП. Из ЦП извлекается и дублируется в кэше либо слово (в случае, если единица обмена - слово), либо целиком тот блок, к которому принадлежит адресуемое ЦП слово (в случае, если единица обмена - блок).

Следует отметить, что если ЦП обращается к ОП по адресу А с целью записи (например, результата операции из АЛУ), и ячейка А продублирована в кэше, то возможны 2 варианта (способа) реализации: 1) без дублирования в ячейку А ОП и 2) с дублированием (записью) в ячейку А ОП. В первом случае имеет место выигрыш во времени записи, но на некотором отрезке времени появляется различие (несоответствие) между ячейкой ОП и её дубликатом в кэш-памяти. Во втором случае соответствие есть, но нет выигрыша во времени при записи результатов, выигрыш есть только при чтении из кэша.

Ещё одна особенность стратегии связана с тем, что кэш-память очень быстро оказывается полностью заполненной (занятой). Фактически это состояние наступает практически мгновенно, поэтому очередной попытке дублирования ячеек ОП в кэше должен предшествовать обратный процесс - освобождения части кэша для записи новой информации путем её переписи в ОП, на прежнее место. Какое слово (блок) удалить из кэша перед записью?

Очевидно, то слово (тот блок), обращений к которому в ближайшем будущем не будет. Как узнать, что будет в ближайшем будущем? Предсказать: 1) наугад, 2) на основе предыстории обращений, 3) по очереди. Второй способ самый сложный.

Следует отметить, что буфер данных типа РОН организуется на основе ЗУ с адресной организацией. Скрытый буфер (кэш) команд и данных организуется на основе ЗУ с безадресной организацией, в частности, на основе ЗУ с ассоциативной организацией.

Дата добавления: 2014-01-11