Лекция 7. Структурная организация ЭВМ - память

Известно, что эффективность работы ЭВМ во многом определяется характеристиками ее памяти, способностью процессора обеспечивать высокую скорость обработки данных (что во многом определяется памятью машины), но и приемлемую скорость передачи данных (что тоже зависит от характеристик памяти). Во все времена к памяти предъявлялись три основных требования: большой объем, высокое быстродействие и низкая стоимость. Нетрудно видеть, что эти требования являются взаимно противоречивыми. Поэтому в современных ЭВМ организуют комплекс разнотипных ЗУ, отвечающий всем этим требованиям и имеющим, как правило, многоуровневую иерархию.

Память ЭВМ представляет собой иерархию запоминающих устройств (ЗУ), отличающихся средним временем доступа к данным, объемом и стоимостью хранения одного байта.

Объем Время Цена $/байт

доступа

Регистры процессора

Десятки, сотни байт ~ 0,01-1 нс 0.1-10

	Сверхоперативная память

Сотни Кбайт - ~0,5-2 нс 0,1-0,5

Оперативная память - ОЗУ (на основе DRAM)

Мбайт

Гигабайты ~2-20 нс 0,01-0,1

Внешняя память

Сотни Десятки

Гигабайт мкс 0,001-0,01

	Internet

Рис. 7.1 Иерархия ЗУ

Очевидно, по мере продвижения по предложенной структуре сверху вниз, время доступа увеличивается от нескольких наносекунд у регистровой памяти до десятков микросекунд доступа к дискам. Увеличивается объем памяти (регистры в лучшем случае могут содержать 128 байт, а объем внешней памяти по существу не ограничен), а вот стоимость хранения данных в расчете на один байт уменьшается.

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.

Существует одна закономерность – чем больше объем того или иного блока памяти, тем длительнее цикл обращения к нему и тем медленнее процесс передачи данных. Анализ такого строения памяти позволяет сделать следующие выводы:

· чем больше объем, тем длительнее цикл обращения, а значит, тем большее количество информации надо передавать за одно обращение;

· все данные одного уровня обязательно лежат и в более низком уровне, обратное не верно;

· иерархии памяти присуще свойство локальности, а именно соседние во времени и пространстве объекты характеризуются похожими свойствами, а это означает что в течении какого то отрезка времени ограниченный фрагмент кода работает с ограниченным набором данных, по мере снижения скорости доступа, снижается и частота обращений к нему.

Иерархия памяти состоит из многих уровней, но в каждый момент времени процессор имеет дело только с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется block или line. 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 (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.

Классификация памяти

Память ЭВМ - это совокупность всех запоминающих устройств, входящих в состав машины. Запоминающие устройства классифицируют по следующим признакам:

· по физическому типу (электронная память, магнитные носители, оптоэлектронная, голографические, криогенные и т.д.);

· по функциональному назначению (ОЗУ, буферные - БЗУ, сверхоперативные – СОЗУ, внешние – ВЗУ, постоянные – ПЗУ, и т.д.);

· по организации доступа -с последовательным доступом, при котором информация как записывается, так и считывается последовательно (ЗУ на магнитных лентах, перфолентах, линиях задержки, CD-ROM);

- с циклическим доступом, при котором место чтения или записи периодически повторяется (НГМД, НЖМД, магнитные барабаны);

- с произвольным (прямым) доступом, при котором чтение и запись могут осуществляться в любой момент времени в любую ячейку (ПЗУ, ППЗУ, ОЗУ и кэш).

· по способам поиска информации различают адресные и ассоциативные ЗУ. В адресных ЗУ каждая ячейка имеет свой номер – адрес, по которому осуществляется обращение к ней. В ассоциативных ЗУ поиск ячейки ведется по некоторым закодированным признакам – запросам, т.е. «по содержанию». Таким признаком может быть, например, содержание части разрядов любой ячейки, передаваемой в ЗУ как ключ для обнаружения тех ячеек, где он имеется [12]. Адресные ЗУ для поиска одной искомой ячейки используют дешифраторы. Ассоциативные осуществляют поиск по всему массиву ЗУ схемами сравнения;

· по способу хранения и возможности записи информации различают:

- ПЗУ – постоянные ЗУ с неизменяющейся в процессе всей эксплуатации информацией;

- ППЗУ – полупостоянные ЗУ с возможностью многократного перепрограммирования содержания ячеек;

- ОЗУ – оперативные ЗУ с обменом в режиме записи / считывания по запросу системной шины;

СОЗУ – сверхоперативные ЗУ – регистровая память на триггерах с высоким быстродействием.

Важнейшие характеристики – емкость, удельная емкость (плотность записи), быстродействие (продолжительность операции быстродействия, т.е. время затрачиваемое на поиск единицы информации), пропускная способность (количество данных, предаваемых в секунду).

Дата добавления: 2014-01-04