Терминология в области ЭВМ, ВС и комплексов

Ячейка — минимальная единица памяти, к которой можно обращаться. В последние годы практически все производители выпускают компьютеры с 8-разрядными ячейками, которые называются байтами. Байты группируются в слова. В компьютере с 32-разрядными словами на каждое слово приходится 4 байт, а в компьютере с 64-разрядными словами — 8 байт. Такая единица как слово, необходима, поскольку большинство команд производят операции над целыми словами (например, складывают два слова). Таким образом, 32-разрядная машина содержит 32-разрядные регистры и команды для манипуляций с 32-разрядными словами, тогда как 64-разрядная машина имеет 64-разрядные регистры и команды для перемещения, сложения, вычитания и других операций над 64-разрядными словами.

Всю память ЭВМ можно разделить на основную (оперативную) и внешнюю.

Главным параметром основной (оперативной) памяти (ОП) является доступное адресное пространство. Оно определяется принятой в ЭВМ разрядностью адреса. Если, например, разрядная сетка равна 24 разрядам, то максимальная емкость доступной памяти равна 16 Мбайт, если 32 разряда— то 4 Гбайт (224-1 и 232-1 соответственно).

С точки зрения адресации различают несколько типов ОП: физическая, реальная, виртуальная.

Под физической ОП понимают конкретное физическое устройство памяти, адресация в котором осуществляется в соответствии с используемой схемой дешифрации адреса и управления выборкой данных.

Под реальной ОП понимают устройство ОП, для которого может быть установлено соответствие между адресами обращения и выборкой информации. Объем реальной ОП не превышает объема физической памяти.

Виртуальная ОП — это память, границы которой определяются допустимым адресным пространством. Объем ВП может значительно превышать объем реальной ОП.

Как уже отмечалось, в ЭВМ и ВС используют и внешнюю память (ВЗУ), реализуемую на различных физических устройствах: магнитных дисках и лентах, оптических дисках и т. п.

Важнейшими характеристиками памяти являются емкость (объем) и быстродействие. Объем памяти характеризуют числом битов или байтов (килобайтов, мегабайтов, гигабайтов и т. д.), которое может храниться в ЗУ. Быстродействие характеризует время, затрачиваемое на обращение к памяти. В некоторых запоминающих устройствах считывание данных сопровождается их разрушением. В этом случае цикл обращения к памяти всегда должен содержать регенерацию данных (ЗУ динамического типа). Этот цикл состоит из трех шагов:

1) время от начала операции обращения до того момента, как данные станут доступны

(время доступа)

2) считывание

3) регенерация

Процедура записи:

1) Время доступа

2) Время подготовки (приведение в исходное состояние поверхности магнитного диска при

записи)

3) Запись Максимальная длительность чтения-записи называется временем обращения к памяти. В зависимости от вида реализуемых операций память бывает двусторонней (память с любым обращением) и односторонней. Вторая сторона позволяет производить чтение-запись. Односторонняя память предназначена только для чтения или только для записи. При оценке быстродействия необходимо учитывать применяемый метод доступа к памяти. Различают четыре основных метода доступа.

Последовательный доступ. Информация в памяти с последовательным доступом хранится в виде последовательности блоков данных, называемых записями. Для доступа к нужному блоку (слову, байту) необходимо прочитать все предшествующие ему данные. Хотя пропускная способность ЗУ с последовательным доступом может быть велика, время доступа к памяти определяется главным образом задержкой, которая зависит от положения требуемой записи в последовательности записей на носителе. Последовательный доступ применяется в ЗУ на магнитной ленте.

Прямой доступ. Данные в памяти с прямым доступом также хранятся блоками-записями. Но в отличие от предыдущего метода для обращения к определенной записи нет необходимости считывать предшествующие ей данные, отсюда и название метода — доступ к записи осуществляется «напрямую» по уникальному адресу, отражающему ее физическое размещение в ЗУ Тем не менее время доступа напрямую зависит от физического расположения блока данных по отношению к текущему положению устройства считывания/записи. После осуществления обращения к определенной записи производится последовательный доступ к единицам информации (словам, байтам) внутри записи. Прямой доступ характерен для ЗУ на магнитных и оптических дисках.

Произвольный доступ. Память делится на ячейки (слова, байты). Обращение к любой ячейке в отличие от последовательного и прямого доступа занимает одно и то же время и может производиться в произвольной очередности, Произвольный доступ применяется в ЗУ оперативной памяти.

Ассоциативный доступ. В отличие от предыдущих методов, где обращение к элементам данных происходит по уникальному адресу ассоциативный доступ осуществляется по содержимому элементов данных. Требуемое содержимое задается с помощью специального образца (шаблона, маски), сравнение с которым осуществляется для всех ячеек памяти, как правило, параллельно. Дальнейшее обращение (чтение, запись) производится только к тем ячейкам, сравнение содержимого которых с образцом дало положительный результат. Память, построенная по подобному принципу, получила название ассоциативной. Ассоциативный доступ часто применяется в кэш-памяти.

Следующей характеристикой памяти является ее физический тип, по которому различают полупроводниковую память, память на магнитных носителях, память на оптических носителях. В историю вычислительной техники отошли память на электронных лампах и ферромагнитная память. Другой важной характеристикой памяти является энергозависимость (независимость). В энергозависимой памяти информация может быть искажена или потеряна при отключении питающего напряжения. В энергонезависимых ЗУ информация сохраняется и при отключении источника питания. Помимо энергозависимости следует учитывать, приводит ли считывание информации к ее разрушению.

Кроме рассмотренных, память характеризуется таким важным параметром, как стоимость, которую принято оценивать отношением общей стоимости ЗУ к его емкости в байтах, т. е. стоимостью хранения одного байта информации.

Характеристики объема памяти и ее быстродействия являются взаимно противоречивыми с точки зрения стоимости. Оперативная память минимум на три порядка быстрее внешней памяти, но, как правило, является энергозависимой и стоит значительно дороже и главное — имеет ограниченный объем. Для решения этой проблемы память в ЭВМ организуется по иерархическому принципу.

Память современных ЭВМ представляет собой многоуровневую иерархическую структуру, причем более высокий уровень меньше по объему, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на байты, 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 и так далее, пока мы не достигнем основания иерархии.

Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения больших объемов данных. Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени пользуются только два близлежащих уровня. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком. 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 памяти 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 коэффициент попаданий (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.

Поскольку увеличение производительности является главной причиной появления иерархии памяти, частота попаданий и промахов является важной характеристикой.

Время обращения при попадании (hit time) есть время обращения к более высокому уровню иерархии, которое включает в себя, в частности, и время, необходимое для определения того, является ли обращение попаданием или промахом.

Потери на промах (miss penalty) есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство. Потери на промах далее включают в себя две компоненты: время доступа (access time) — время обращения к первому слову блока при промахе, и время пересылки (transfer time) — дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней. Очевидно, что при низком коэффициенте попаданий быстродействие иерархической структуры будет стремиться к быстродействию самого низкого, медленного уровня иерархии,

В современных ЭВМ коэффициент попаданий достаточно высок, что обеспечивается соблюдением 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.

На самом верху иерархии находятся регистры процессора. Самый быстрый, но и минимальный по емкости тип памяти — это внутренние регистры процессора, которые иногда объединяют понятием сверхоперативное запоминающее устройство— СОЗУ. Количество внутренних регистров сравнительно невелико, даже в RISC-процессорах не превышает нескольких сотен. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до нескольких мегабайтов. Уровни кэш-памяти обозначаются буквой L и номером уровня. Современные ЭВМ, как правило, имеют два уровня кэш-памяти (см. рис. 3.1), хотя в новейших разработках появляется также третий уровень (L3), причем разработчики говорят о целесообразности введения и четвертого уровня L4. СОЗУ, кэш-память и ОП образуют внутреннюю память ЭВМ. Затем следует основная память, которая в настоящее время может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Основная память состоит из оперативной памяти, постоянного запоминающего устройства и буферных запоминающих устройств. Оперативные ЗУ (ОЗУ) предназначены для хранения данных и программ текущих вычислений, а также программ, к которым следует быстро перейти, если в ходе вычислительного процесса возникло прерывание. Постоянная память используется для энергонезависимого хранения системной информации. Эта память при обычной работе компьютера только считывается, поэтому ее название - ROM (Read Only Memory). Требуемый объем памяти этого типа невелик - BIOS в современных компьютерах типовое значение -128 Кбайт. ПЗУ программируется при изготовлении ПК, во время работы используется только в режиме чтения и хранит программу тестирования ПК при включении питания (процедуру POST), а также драйверы управления модулями ПК (BIOS) и необходимые для их работы данные, т.е. обработчики аппаратных и программных прерываний BIOS. К ПЗУ можно отнести и память использующуюся для хранения информации о конфигурации компьютера. Традиционная память конфигурации вместе с часами-календарем (CMOS Memory и CMOS RTC) имеет объем несколько десятков байт, ESCD - (Extended Static Configuration Data) область энергонезависимой памяти, используемая для конфигурирования устройств Plug and Play - имеет объем несколько килобайт. Сохранность данных полупостоянной памяти при отключении питания компьютера обеспечивается маломощной внутренней батарейкой или аккумулятором. Буферная память различных адаптеров и контроллеров (коммуникационных, дисковых и пр.) обычно разделяется между абонентами системной шины и контроллерами устройств. К этой памяти относятся и 16-байтные FIFO-буферы COM-портов, и несколькомегабайтные кэш-буферы высокопроизводительных устройств хранения. Специфическим типом буферной памяти является видеопамять дисплейного адаптера — к ней производятся интенсивные обращения со стороны центрального процессора и графического акселератора одновременно с непрерывным процессом регенерации изображения.

Затем идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивов.

Нижние уровни иерархии — память на магнитных лентах и оптических дисках — служат для долговременного хранения информации (программ и данных),

В целом можно сказать, что иерархическое построение памяти характеризуется следующими положениями.

1. Имеется несколько иерархических  уровней хранения организованной  в блоки информации.

2. Иерархические уровни  памяти отличаются по быстродействию и емкости, причем более быстродействующие памяти имеют меньшую емкость и располагаются на более высоком уровне иерархии, ближе к процессору

3. Первое обращение к  блоку информации приводит, как  правило, к перемещению блока  с более медленного уровня иерархии на более быстрый. За счет принципа локальности по обращению, последующие обращения к этому блоку приводят к выборке только из быстродействующей памяти.

4. Иерархической памяти  свойственно уменьшение среднего  времени обслуживания ЦП.

В общем случае для оптимизации структуры управления памятью необходимо:

уменьшить вероятность промаха;

уменьшить время выборки информации из памяти более высокого уровня;

сократить время пересылки информации из памяти более низкого уровня в память более высокого уровня и обратно (сохранение измененной информации);

обеспечить целостность данных на всех уровнях иерархии, в том числе и для случая многопроцессорных ВС.

Обсудим основные параметры памяти — быстродействие, производительность, достоверность хранения и методы их улучшения, а также основные идеи организации кэширования памяти.

Быстродействие памяти определяется временем выполнения операций записи и считывания данных. Для количественной оценки быстродействия памяти обычно используют три параметра:

Время доступа (Та). Соответствует времени от момента выдачи запроса на чтение/запись данных до момента, когда данные действительно начнут считываться или записываться в память. Время доступа также еще называют задержкой, или латентностью. Например, при чтении из оперативной памяти время доступа — это время между поступлением адреса на адресную шину и появлением данных на шине данных.

Время передачи данных (Тт). Соответствует времени от момента начала непосредственной передачи данных до момента ее завершения. Полностью определяется скоростью передачи R, измеряемой в битах (байтах, мегабайтах) в секунду.