Лекции 2010 года, страница 4

Массовая памятьбольшого объема реализуется, естественно, на более медленных интегральныхсхемах, чем оперативная память. Уровень массовой памяти помогает сгладитьдисбаланс между высоким быстродействием процессора и относительно небольшойскоростью работы магнитных дисков. Естественно при этом стремиться кобеспечению когерентности массовой памяти и памяти на магнитных дисках.В связи с существенным увеличением объема памяти на магнитных дискахиспользование памяти на магнитных лентах резко сократилось.

В некоторыхвычислительных центрах осуществляется периодическое (например, один раз всутки) сохранение изменившихся файлов с магнитных дисков на “магнитныекатушки”.Сверхоперативная памятьНаборы регистров, образующих такую память, бывают двух назначений:- программируемые в командах “прямоадресуемые” регистры (регистры“общего назначения”), предназначенные для размещения в них данных, частоиспользуемых процессором;- группы регистров, в которых автоматически (аппаратно) сохраняютсячасто используемые данные (“кэш (cache) - памяти”).Использование одного типа регистров в процессоре не исключаетиспользования другого типа регистров.11 Кэш-памятьВ кэш-памяти могут размещаться команды и обрабатываемые данные.Информация располагается в кэш-памяти блоками одинаковой длины. Этими жеблоками происходит перемещение данных между оперативной и кэш-памятью.В командах, выполняемых процессором, указываются лишь адреса данных пооперативной памяти.

Преобразование этих адресов в адреса кэш-памяти происходитаппаратно (определяются номер блока кэш-памяти и место расположения в немтребуемых данных). Основными аспектами организации кэш-памяти являются:- способ доступа к кэш-памяти при обращении к находящимся в нейданным из процессора и при перемещении данных в кэш-память изоперативной памяти;- способ выполнения записи данных в кэш-память из процессора.1011-По способу доступа к кэш-памяти различаются следующие организации кэшпамяти:полностью ассоциативная кэш-память;кэш-память с “прямой” адресацией;частично ассоциативная кэш-память.В случае полностью ассоциативной кэш-памяти требуемые данные могутрасполагаться в любом ее блоке.

Нахождение блока происходит путем сравнениятребуемого адреса данных по оперативной памяти с находящимися в специальныхрегистрах при каждом блоке кэш-памяти начальными адресами групп данных,перемещенных в эти блоки из оперативной памяти, с учетом длины блока кэшпамяти. При нахождении блока кэш-памяти определяется и смещение в нем длявыполнения непосредственного обращения к данным.При не нахождении блока кэш-памяти с нужными данными (“промах” приобращении в кэш-память) эти данные считываются из оперативной памяти внекоторый блок кэш-памяти, определяемый по выполняемому аппаратуройалгоритму замещения данных в кэш-памяти.

Если данные в блоке кэш-памяти,выбранном для считывания в него данных из оперативной памяти, изменялисьпроцессором, и это изменение не было отражено в оперативной памяти, топредварительно происходит перепись этих данных из выбранного блока кэш-памятив оперативную память.Противоположной по отношению к организации полностью ассоциативнойпамяти является организация кэш-памяти “с прямой адресацией”.

В данном случаезаранее определено, из каких диапазонов адресов оперативной памяти (длинадиапазонов совпадает с длиной блоков кэш-памяти) данные могут быть помещены вконкретный блок кэш-памяти. Например, при длине блока кэш-памяти 100 (ввосьмеричной системе счисления) и количестве блоков 4 в “нулевой” блок кэшпамяти могут быть переданы данные из ячеек оперативной памяти с восьмеричнымиадресами:0000 – 0077, 0400 – 0477, 1000 – 1077, 1400 – 1477 и т.д.В первый блок кэш-памяти могут быть переданы данные из ячеекоперативной памяти с адресами:0100 – 0177, 0500 – 0577 и т.д.Для приведенного примера данные с адресом 0432 могут быть найдены лишьв нулевом блоке кэш-памяти при нахождении в указанном специальном регистре приэтом блоке адреса 0400, а данные с адресом 0543 могут быть найдены лишь в первомблоке кэш-памяти при нахождении в его специальном регистре адреса 0500.В случае “промаха” при обращении в определенный блок кэш-памятивыполняется замена информации в нем на требуемую информацию из оперативнойпамяти (с возможной предварительной записью находившейся в нем информации воперативную память как и в случае полностью ассоциативной памяти).Организация частично-ассоциативной памяти обеспечивает разделениеблоков кэш-памяти на группы по одинаковому числу блоков по принципуорганизации кэш-памяти «с прямой адресацией», а поиск данных в выбраннойгруппе блоков кэш-памяти осуществляется по принципу организации полностьюассоциативной памяти.

Так для указанного выше примера четырех блоков кэшпамяти возможна организация частично-ассоциативной памяти из двух групп блоковпо два блока в каждой. В “нулевую” группу попадают нулевой и первый блоки, а впервую – второй и третий блоки. Данные с адресами 0000 – 0177, 0400 – 0577, 1000 –1177, 1400-1577 могут находиться лишь в блоках нулевой группы. Данные суказанными выше адресами 0432 и 0543 могут находиться или отсутствовать либо внулевом, либо в первом блоке кэш-памяти.1112Замена информации в частично-ассоциативной кэш-памяти при “промахе”обращения в нее происходит аналогично замене информации в других организацияхкэш-памяти.Естественно, что наиболее высока вероятность нахождения требуемыхданных в более сложной по организации полностью ассоциативной кэш-памяти.Память с прямой адресацией отличается наибольшей простотой нахожденияместа расположения данных в ней.Второй основной проблемой использования кэш-памяти является проблемаосуществления записи в нее для многопроцессорных вычислительных систем собщей оперативной памятью и отдельными кэш-памятями у каждого процессора(для однопроцессорных ЭВМ с кэш-памятью для выполнения записи производятсяуже описанные выше действия).Поскольку в вычислительных системах с общей памятью данные изнекоторой ее области могут находиться в блоках разных кэш-памятей, изменениеэтих данных при выполнении записи по некоторому адресу оперативной памяти водной кэш-памяти не должно привести к использованию “старых” значений приобращении за ними по этому же адресу оперативной памяти в другой кэш-памяти.Это реализуется двумя основными способами.Первый способ заключается в определении нахождения данных с адресами пооперативной памяти, совпадающими с адресом по оперативной памятизаписываемых данных в некоторую кэш-память, в блоках других кэш-памятей.

Вслучае нахождения таких данных в блоках других кэш-памятей содержимое этихблоков объявляется недействительным (при каждом блоке кэш-памяти имеетсяодноразрядный регистр, указывающий действительность или недействительностьсодержимого блока). Одновременно выполненная запись в кэш-памятьосуществляется также и в оперативную память (содержимое блока кэш-памяти, вкоторыйпроизведеназапись,становитсякогерентнымсодержимомусоответствующей области оперативной памяти). Если затем для другого процессорапотребуются данные по этому же адресу оперативной памяти, они будут прочитаныиз оперативной памяти в некоторый блок кэш-памяти процессора, запросившегоданные, поскольку непосредственно из этой кэш-памяти в связи с проведениемуказанной выше блокировки эти данные не смогут быть считаны.

Таким образомдругие процессоры в случае необходимости смогут использовать лишь “новые”значения данных, записанные в оперативную память каким-либо процессором.Второй способ обеспечения когерентности кэш-памятей заключается ввыполнении требуемой записи данных в те блоки всех кэш-памятей, в которыхотображены данные из одной области оперативной памяти.Естественно, что для осуществления обоих способов обеспечениякогерентности требуется весьма сложная аппаратура, с помощью которойвыполняются указанные выше действия.14 Виртуальная памятьВ первых ЭВМ программирование велось с использованием физическихадресов оперативной памяти. Каждая задача программировалась с использованиемодних и тех же адресов, то есть на машине в каждый период времени моглавыполняться лишь одна задача (фактически первые ЭВМ были машинами “на однуперсону”, имея в виду программиста или оператора, работавшего на машине).

Размерзадачи (объем ее программ и данных) во многих случаях практически сразу сталсущественно превосходить размер оперативной памяти машины. Пришлосьпрограммировать отдельные части (блоки, модули) задачи на одни и те же адреса1213памяти и вызывать их в программе на эти адреса оперативной памяти из внешнейпамяти (на магнитных барабанах, магнитных лентах).Такие действия, называемые “перекрытием программных модулей” (и модулейданных) в памяти или “попеременной загрузкой” модулей (overlay) вызывалибольшие затруднения при программировании.Шагом вперед в организации оперативной памяти стало введение аппаратуры,обеспечивающей использование информации задачи на любом месте оперативнойпамяти.

Использовался “регистр базы”, на который помещался начальный адресразмещения задачи в оперативной памяти, и регистр длины (размера) информациизадачи. Это позволило программировать задачи на одни и те же адреса,называвшиеся “относительными”, “логическими”, “математическими” и, наконец,“виртуальными” адресами, а размещать (с помощью операционной системы)информацию задачи на любом месте оперативной памяти.

Тем самымобеспечивалась возможность помещения в память одновременно информациимногих задач и выполнения этих задач в многозадачном (многопрограммном)режиме. Эффект использования такого режима достигается за счет более полнойзагрузки процессора. Когда временно (например, из-за выполнения обмена даннымимежду оперативной и внешней памятью) не может выполняться одна задача, тут женачинает выполняться другая задача. Поскольку информация задачи занимаетнепрерывный диапазон адресов, использование регистра длины информации задачипозволяет не допускать обращения в задаче в невыделенную для нее область памятии тем самым обеспечивать защиту памяти других задач.К сожалению, такая организация памяти (задаче предоставлялсяограниченный “линейный” участок оперативной памяти) не избавляла программистаот заботы об организации упоминавшегося перекрытия программных модулей в еготаким образом организованной “виртуальной” памяти.

Рассмотренный способорганизации использования оперативной памяти (с достаточно простой аппаратной“поддержкой”) имеет обобщающее название – память “односегментногоотображения”.Освободить программиста от организации перекрытия программных модулейв памяти и обеспечить при программировании понимание возможностииспользования виртуальной памяти задачи практически любого объема позволиловведение поддержанной аппаратно структурированной виртуальной памяти задачи.Видами такой организации памяти стали: “сегментная”, “страничная” и“сегментно-страничная” организации.14 Сегментная организация памяти.Для каждой задачи память сегментной организации предоставляетвозможность разместить в ней сегменты разной длины, содержащие информациюзадачи.

В этих сегментах находятся законченные программные объекты – модулипроцедур и модули данных. При программировании предполагается, что все этиобъекты находятся на одном уровне структурированной виртуальной памяти задачии в программе решения задачи не требуется осуществлять их перемещение междуоперативной и внешней памятью (это перемещение будет выполнять операционнаясистема). То есть виртуальная память задачи структурирована как набор модулей(сегментов).Сегменты задачи могут располагаться в любом месте физическойоперативной памяти, защищены друг от друга и от сегментов других задач ивызываются при необходимости их использования в задаче в оперативную память(на свободное место или вместо каких-либо других сегментов этой или других задач)операционной системой.1314Виртуальные адреса, используемые в программе задачи, состоят извиртуального номера сегмента и смещения (номера ячейки) в этом сегменте (рис13.).