Тема 10_2010_Системы памяти современных ЭВМ (Лекции (ещё одни)), страница 2

Требуемыехарактеристики памяти достигаются не только за счет применения ЗУ ссоответствующими характеристиками, но в значительной степени за счетособенностей ее структуры и алгоритмов функционирования.Память ЭВМ почти всегда является "узким местом", ограничивающимпроизводительность компьютера. Поэтому в ее организации используется рядприемов, улучшающих временные характеристики памяти и, следовательно,повышающих производительность ЭВМ в целом.Классификация запоминающих устройств и систем памяти позволяет выделитьобщие и характерные особенности их организации, систематизировать базовыепринципы и методы, положенные в основу их реализации и использования.Один из возможных вариантов классификации ЗУ представлен на рис.3. В немустройствапамятиподразделяютсяподвумосновнымкритериям:пофункциональному назначению (роли или месту в иерархии памяти) и принципуорганизации.62.1.

Классификация ЗУ по функциональному назначениюПри разделении ЗУ по функциональному назначению иногда рассматривают двакласса: внутренние и внешние ЗУ ЭВМ. Такое деление первоначально основывалосьна различном конструктивном расположении их в ЭВМ. В настоящее время, например,накопители на жестких магнитных дисках, традиционно относимые к внешним ЗУ,конструктивно располагаются непосредственно в основном блоке компьютера.Поэтому разделение на внешние и внутренние ЗУ имеет в ряде случаевотносительный, условный характер. Обычно к внутренним ЗУ относят устройства,непосредственно доступные процессору, а к внешним – такие, обмен информациейкоторых с процессором происходит через внутренние ЗУ.Общий вид иерархии памяти ЭВМ представлен на рис.4.

На нем показаныразличные типы ЗУ, причем поскольку рисунок обобщенный, то не все изпредставленных на нем ЗУ обязательно входят в состав ЭВМ, а характер связей междуустройствами может отличаться от показанного на рисунке.7Рис. 4. Возможный состав системы памяти ЭВМ1.

Верхнее место в иерархии памяти занимают регистровые ЗУ, которыевходят в состав процессора и часто рассматриваются не как самостоятельный блок ЗУ,а просто как набор регистров процессора. Такие ЗУ в большинстве случаевреализованы на том же кристалле, что и процессор, и предназначены для хранениянебольшого количества информации (до нескольких десятков слов, а в RISCархитектурах – до сотни), которая обрабатывается в текущий момент времени иличасто используется процессором. Это позволяет сократить время выполненияпрограммы за счет использования команд типа регистр-регистр и уменьшить частотуобменов информацией с более медленными ЗУ ЭВМ. Обращение к этим ЗУпроизводится непосредственно по командам процессора.Регистровая – 64-256 слов, 1 тактКэш 1-го уровня – 8 Кслов, 1-2 тактаКэш 2-го уровня – 256 Кслов, 3-5 тактовКэш 3-го уровня – 1 Мслов, 6-11 тактовОсновная память – 4 Гслов, 12-55 тактовВнешняя память – кТслов, от 106 слов2.

Следующую позицию в иерархии занимают буферные ЗУ. Их назначениесостоит в сокращении времени передачи информации между процессором и болеемедленными уровнями памяти компьютера. Буферная память может устанавливатьсяна различных уровнях, но здесь речь идет именно об указанном ее местоположении.РанеетакиебуферныеЗУвотечественнойлитературеназывалисверхоперативными(СОЗУ), сейчас это название практически полностью вытеснилтермин "кэш-память" или просто кэш.Принцип использования буферной памяти во всех случаях сводится к одному и томуже. Буфер представляет собой более быстрое (а значит, и более дорогое), но менееемкое ЗУ, чем то, для ускорения работы которого он предназначен.

При этом вбуфере размещается только та часть информации из более медленного ЗУ, котораяиспользуется в настоящий момент. Если доля h обращений к памяти со стороныпроцессора, удовлетворяемых непосредственно буфером (кэшем) высока (0,9 иболее), то среднее время для всех обращений оказывается близким ко времениобращения к кэшу, а не к более медленному ЗУ.8Пусть двухуровневая память состоит из кэш и оперативной памяти, как показано нарис.5. И пусть, например, время обращения к кэшу t c = 1 нс (10-9 с), время tm обращения кболее медленной памяти в десять раз больше – t m = 10 нс, а доля обращений, удовлетворяемыхкэшем, h = 0,95.Тогда среднее время обращения к такой двухуровневой памяти T ср составитT ср = 1 * 0.95 + 10 * (1 – 0.95 ) = 1.45 нс,т.е.

всего на 45% больше времени обращения к кэшу. Значение h зависит от размеракэша и характера выполняемых программ и иногда называется отношением успехов илипопаданий (hit ratio).Рис.5. К расчету среднего времени обращения(t c – время обращения к кэш-памяти, t m – времяобращения к ОП, h – доля обращения, обслуживаемых кэш-памятью,1 – h – доля обращений, обслуживаемых ОП)Размеры кэш-памяти существенно изменяются с развитием технологий. Так,если в первых ЭВМ, где была установлена кэш-память, во второй половине 1960-хгодов (большие ЭВМ семейства IBM-360) ее емкость составляла всего от 8 до 16КБайт, то уже во второй половине 1990-х годов емкость кэша рядовых персональныхЭВМ составляла 512 КБайт.

Причем сама кэш-память может состоять из двух (а всерверных системах – даже трех- Itanium) уровней: первого (L1) и второго (L2), такжеотличающихся своей емкостью и временем обращения.КЭШ подробноКонструктивно кэш уровня L1 входит в состав процессора (поэтому его иногданазывают внутренним). Кэш уровня L2 либо также входит в микросхему процессора,либо может быть реализован в виде отдельной памяти.

Как правило, на параметрыбыстродействия процессора большее влияние оказывают характеристики кэш-памятипервого уровня.Время обращения к кэш-памяти, которая обычно работает на частотепроцессора, составляет от десятых долей до единиц наносекунд, т.е. не превышаетдлительности одного цикла процессора.Обмен информацией между кэш-памятью и более медленными ЗУ дляулучшения временных характеристик выполняется блоками, а не байтами илисловами. Управляют этим обменом аппаратные средства процессора и операционнаясистема, и вмешательство прикладной программы не требуется. Причемнепосредственно командам процессора кэш-память недоступна, т.е. программа неможет явно указать чтение или запись в кэш-памяти, которая является для нее, какиногда говорят, “прозрачной” (прямой перевод используемого в англоязычнойлитературе слова transparent).93.

Еще одним (внутренним) уровнем памяти являются служебные ЗУ. Они могутиметь различное назначение.Одним из примеров таких устройств являются ЗУ микропрограмм, которыеиногда называют управляющей памятью. Другим – вспомогательные ЗУ, используемыедля управления многоуровневой памятью.В управляющей памяти, использующейся в ЭВМ с микропрограммнымуправлением, хранятся микропрограммы выполнения команд процессора, а такжеразличных служебных операций.Вспомогательные ЗУ для управления памятью (например, теговая память,используемая для управления кэш-памятью, буфер переадресации TLB – translationlocation buffer) представляют собой различные таблицы, используемые для быстрогопоиска информации в разных ступенях памяти, отображения ее свойств, очередностиперемещения между ступенями и пр.Емкости и времена обращения к таким ЗУ зависят от их назначения.

Обычно –это небольшие (до нескольких Кбайт), но быстродействующие ЗУ. Спецификаназначения предполагает недоступность их командам процессора.4. Следующим уровнем иерархии памяти является оперативная память.Оперативное ЗУ (ОЗУ) является основным запоминающим устройством ЭВМ, вкотором хранятся выполняемые в настоящий момент процессором программы иобрабатываемые данные, резидентные программы, модули операционной системы ит.п.

Название оперативной памяти также несколько изменялось во времени. Внекоторых семействах ЭВМ ее называли основной памятью, основной оперативнойпамятью и пр. В англоязычной литературе также используется термин RAM (randomaccess memory), означающий память с произвольным доступом.Эта память используется в качестве основного запоминающего устройства ЭВМдля хранения программ, выполняемых или готовых к выполнению в текущий моментвремени, и относящихся к ним данных.

В оперативной памяти располагаются икомпоненты операционной системы, необходимые для ее нормальной работы.Информация, находящаяся в ОЗУ, непосредственно доступна командампроцессора, при условии соблюдения требований защиты.Оперативная память реализуется на полупроводниках (интегральных схемах),стандартные объемы ее составляют (в начале 2000-х годов) сотни мегабайт – единицыгигабайт, а времена обращения – единицы÷десятки наносекунд.5.

Еще одним уровнем иерархии ЗУ может являться дополнительная память,которую иногда называли расширенной или массовой. Первоначально (1970-е годы)эта ступень использовалась для наращивания емкости оперативной памяти довеличины, соответствующей адресному пространству (например, 24-битного адреса)команд, с помощью подключения более дешевого и емкого, чем ОЗУ, запоминающегоустройства.Это могла быть ферритовая память или даже память на магнитных дисках.Конечно, она была более медленной, а хранимая в ней информация спервапередавалась в оперативную память и только оттуда попадала в процессор.

Призаписи путь был обратный.10Затем, в ранних моделях ПЭВМ, дополнительная память также использоваласьдля наращивания емкости ОЗУ и представляла собой отдельную плату смикросхемами памяти. А еще позже термин дополнительная память (extended илиexpanded memory) стал обозначать область оперативного ЗУ с адресами выше одногомегабайта. Конечно, этот термин применим только к IBM PC совместимым ПЭВМ.6. В состав памяти ЭВМ входят также ЗУ, принадлежащие отдельнымфункциональным блокам компьютера. Формально эти устройства непосредственноне обслуживают основные потоки данных и команд, проходящие через процессор.

Ихназначение обычно сводится к буферизации данных, извлекаемых из каких-либоустройств и поступающих в них.Типичным примером такой памяти является видеопамять графическогоадаптера, которая используется в качестве буферной памяти для снижения нагрузки наосновную память и системную шину процессора.Другими примерами таких устройств могут служить буферная памятьконтроллеров жестких дисков, а также память, использовавшаяся в каналах(процессорах) ввода-вывода для организации одновременной работы несколькихвнешних устройств.Емкости и быстродействие этих видов памяти зависят от конкретногофункционального назначения обслуживаемых ими устройств. Для видеопамяти,например, объем может достигать величин, сравнимых с оперативными ЗУ, абыстродействие – даже превосходить быстродействие последних.7.