Файл: Архитектура ЭВМ.doc

18. Характеристики систем памяти

Перечень основных характеристик, которые необходимо учитывать, рассматривая конкретный вид ЗУ, включает в себя:

• место расположения;

• емкость;

• единицу пересылки;

• метод доступа;

• быстродействие;

• физический тип;

• физические особенности;

• стоимость.

По месту расположения ЗУ разделяют на процессорные, внутренние и внешние. Наиболее скоростные виды памяти (регистры, кэш-память первого уровня) обычно размещают на общем кристалле с центральным процессором, а регистры общего Назначения вообще считаются частью ЦП. Вторую группу (внутреннюю память) образуют ЗУ, расположенные на системной плате. К внутренней памяти относят основную память, а также кэш-память второго и последующих уровней (кэш-па­мять второго уровня может также размещаться на кристалле процессора). Мед­ленные ЗУ большой емкости (магнитные и оптические диски, магнитные ленты) Называют внешней памятью, поскольку к ядру ВМ они подключаются аналогично устройствам ввода/вывода.

Емкость ЗУ характеризуют числом битов либо байтов, которое может храниться в запоминающем устройстве. На практике применяются более крупные едини­цы, а для их обозначения к словам «бит» или «байт» добавляют приставки: кило, мега, гига, тера, пета, экза (kilo, mega, giga, tera, peta, exa). Стандартно эти пристав­ки означают умножение основной единицы измерений на 10³,10⁶,10⁹,10¹²,10¹⁵ и 10¹⁸ соответственно. В вычислительной технике, ориентированной на двоичную систему счисления, они соответствуют значениям достаточно близким к стандар­тным, но представляющим собой целую степень числа 2, то есть 2¹⁰, 2²⁰, 2³⁰, 2⁴⁰, 2⁵⁰, 2⁶⁰ . Во избежание разночтений, в последнее время ведущие международные орга­низации по стандартизации, например IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), предлагают ввести новые обозначения, добавив к основной приставке слово binary (бинарный): kilobinary, megabinary, gigabinary, terabinary, petabinary, exabinary. В результате вместо термина «килобайт» предлагается термин «киби-байт», вместо «мегабайт» — «мсбибайт» и т. д. Для обозначения новых единиц пред­лагаются сокращения: Ki, Mi, Gi, Ti, Pi и Ei.

Важной характеристикой ЗУ является единица пересылки. Для основной памя­ти (ОП) единица пересылки определяется шириной шины данных, то есть коли­чеством битов, передаваемых по линиям шины параллельно. Обычно единица пе­ресылки равна длине слова, но не обязательно. Применительно к внешней памяти данные часто передаются единицами, превышающими размер слова, и такие еди­ницы называются блоками.

При оценке быстродействия необходимо учитывать применяемый в данном типе ЗУ метод доступа к данным. Различают четыре основных метода доступа:

• Последовательный доступ. ЗУ с последовательным доступом ориентировано на хранение информации в виде последовательности блоков данных, называе­мых записями. Для доступа к нужному элементу (слону или байту) необходи­мо прочитать все предшествующие ему данные. Время доступа зависит от положения требуемой записи в последовательности записей на носителе ин­формации и позиции элемента внутри данной записи. Примером может слу­жить ЗУ на магнитной ленте.

• Прямой доступ. Каждая запись имеет уникальный адрес, отражающий ее фи­зическое размещение на носителе информации. Обращение осуществляется как адресный доступ к началу записи, с последующим последовательным досту­пом к определенной единице информации внутри записи. В результате время доступа к определенной позиции является величиной переменной. Такой ре­жим характерен для магнитных дисков.

• Произвольный доступ. Каждая ячейка памяти имеет уникальный физический адрес. Обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может произ­водиться в произвольной очередности. Примером могут служить запоминаю­щие устройства основной памяти.

• Ассоциативный доступ. Этот вид доступа позволяет выполнять поиск ячеек, содержащих такую информацию, в которой значение отдельных битов совпа­дает с состоянием одноименных битов в заданном образце. Сравнение осуще­ствляется параллельно для всех ячеек памяти, независимо от ее емкости. П° , ассоциативному принципу построены некоторые блоки кэш-памяти.

Быстродействие ЗУ является одним из важнейших его показателей. Для коли­чественной оценки быстродействия обычно используют три параметра:

• Время доступа (Т_д). Для памяти с произвольным доступом оно соответствует интервалу времени от момента поступления адреса до момента, когда данные заносятся в память или становятся доступными. В ЗУ с подвижным носителем информации — это время, затрачиваемое на установку головки записи/считы­вания (или носителя) в нужную позицию.

• Длительность цикла памяти или период обращения (Т_ц). Понятие применяет­ся к памяти с произвольным доступом, для которой оно означает минимальное время между двумя последовательными обращениями к памяти. Период обра­щения включает в себя время доступа плюс некоторое дополнительное время. Дополнительное время может требоваться для затухания сигналов на линиях, а в некоторых типах ЗУ, где считывание информации приводит к ее разруше­нию, — для восстановления считанной информации.

• Скорость передачи. Это скорость, с которой данные могут передаваться в па­мять или из нее. Для памяти с произвольным доступом она равна 1/Г_ц. Для других видов памяти скорость передачи определяется соотношением:

где T_N — среднее время считывания или записи N битов; Т_А — среднее время

доступа; R — скорость пересылки в битах в секунду.

Говоря о физическом типе запоминающего устройства, необходимо упомянуть три наиболее распространенных технологии ЗУ — это полупроводниковая память, память с магнитным носителем информации, используемая в магнитных дисках и лентах, и память с оптическим носителем — оптические диски.

В зависимости от примененной технологии следует учитывать и ряд физичес­ких особенностей ЗУ, например энергозависимость. В энергозависимой памяти информация может быть искажена или потеряна при отключении источника пи­тания. В энергонезависимых ЗУ записанная информация сохраняется и при от­ключении питающего напряжения. Магнитная и оптическая память — энергоне­зависимы. Полупроводниковая память может быть как энергозависимой, так и нет, ⁸зависимости от ее типа. Помимо энергозависимости нужно учитывать, приводит ли считывание информации к ее разрушению.

Стоимость ЗУ принято оценивать отношением общей стоимости ЗУ к его емкости в битах, то есть стоимостью хранения одного бита информации.

19. Иерархия запоминающих устройств

Память является «узким местом» ВМ из-за ее серьезного отставания по быстродействию от процессоров, причем разрыв этот неуклонно уве­личивается. Так, если производительность процессоров ежегодно возрастает вдвое примерно каждые 1,5 года, то для микросхем памяти прирост быстродействия не пре­дает 9% в год (удвоение за 10 лет), что выражается в увеличении разрыва в быст­родействии между процессором и памятью приблизительно на 50% в год.

Если проанализировать используемые в настоящее время типы ЗУ, выявляется следующая закономерность:

• чем меньше время доступа, тем выше стоимость хранения бита;

• чем больше емкость, тем ниже стоимость хранения бита, но больше время дос­тупа.

При анализе системы памяти и её реализации необходимо рассматривать возможность обеспече­ния требуемой емкости и высокого быстродействия за приемлемую цену. Наибо­лее распространенным подходом здесь является построение системы памяти ВМ по иерархическому принципу. Иерархическая память состоит из ЗУ различных типов (рис.44), которые, в зависимости от характеристик, относят к определен­ному уровню иерархии. Более высокий уровень меньше но емкости, быстрее и имеет 1 большую стоимость в пересчете на бит, чем более низкий уровень. Уровни иерар­хии взаимосвязаны; все данные на одном уровне могут быть также найдены па бо­лее низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены 1 на следующем нижележащем уровне и т. д.

Рис.44. Иерархия запоминающих устройств

Четыре верхних уровня иерархии образуют внутреннюю память ВМ, а все нижние уровни — это внешняя или вторичная память. По мере движения вниз по иерархической структуре:

1. Уменьшается соотношение «стоимость/бит».

2. Возрастает емкость.

3. Растет время доступа.

4. Уменьшается частота обращения к памяти со стороны центрального процессора.

Если память организована в соответствии с пунктами 1-3, а характер размеще­ния в ней данных и команд удовлетворяет пункту 4, иерархическая организация ведет к уменьшению общей стоимости при заданном уровне производительности.

Справедливость этого утверждения вытекает из принципа локальности по об­ращению. Если рассмотреть процесс выполнения большинства программ, то можно заметить, что с очень высокой вероятностью адрес очередной команды про­граммы либо следует непосредственно за адресом, по которому была считана теку­щая команда, либо расположен вблизи него. Такое расположение адресов называ­ется пространственной локальностью программы. Обрабатываемые данные, как правило, структурированы, и такие структуры обычно хранятся в последователь­ных ячейках памяти. Данная особенность программ называется пространствен­ной локальностью данных. Кроме того, программы содержат множество неболь­ших циклов и подпрограмм. Это означает, что небольшие наборы команд могут многократно повторяться в течение некоторого интервала времени, то есть имеет место временная локальность. Все три вида локальности объединяет понятие ло­кальность по обращению. Принцип локальности часто облекают в численную фор­му и представляют в виде так называемого правила «90/10»: 90% времени работы программы связано с доступом к 10% адресного пространства этой программы.

Из свойства локальности вытекает, что программу разумно представить в виде последовательно обрабатываемых фрагментов — компактных групп команд и дан­ных. Помещая такие фрагменты в более быструю память, можно существенно сни­зить общие задержки на обращение, поскольку команды и данные, будучи один раз переданы из медленного ЗУ в быстрое, затем могут использоваться многократно, и среднее время доступа к ним в этом случае определяется уже более быстрым ЗУ. Это позволяет хранить большие программы и массивы данных на медленных, ем­ких, но дешевых ЗУ, а в процессе обработки активно использовать сравнительно небольшую быструю память, увеличение емкости которой сопряжено с высокими затратами.

На каждом уровне иерархии информация разбивается на блоки, выступающие в качестве наименьшей информационной единицы, пересылаемой между двумя соседними уровнями иерархии. Размер блоков может быть фиксированным либо переменным. При фиксированном размере блока емкость памяти обычно кратна его размеру. Размер блоков на каждом уровне иерархии чаще всего различен и уве­личивается от верхних уровней к нижним.

При доступе к командам и данным, например, для их считывания, сначала про­изводится поиск в памяти верхнего уровня. Факт обнаружения нужной информа­ции называют попаданием (hit), в противном случае говорят о промахе (miss). При промахе производится поиск в ЗУ следующего более низкого уровня, где также возможны попадание или промах. После обнаружения необходимой информации, выполняется последовательная пересылка блока, содержащего искомую информацию, с нижних уровней на верхние. Следует отметить, что независимо от числа уровней иерархии пересылка информации может осуществляться только между двумя соседними уровнями.