Лекция: Вопрос 6. Иерархическая структура памяти компьютера.

Второй основной составляющей любого компьютера является память.

В идеале память должна быть максимально быстрой (быстрее, чем обработка одной инструкции, чтобы работа ЦП не замедлялась обращениями к памяти), достаточно большой и дешевой. На данный момент не существует технологий, удовлетворяющих всем этим требованиям, поэтому используется другой подход.

Рассмотрим вначале понятие «объем памяти»

Пусть нам надо запомнить в памяти цветную картинку на весь экран монитора.

Количество точек 1024 х 768 = 786 432.

Каждая точка может иметь один цвет из 256 цветов (EGA) – 1 байт.

Требуемая память: 786 432 х 1 байт = 768 Кб.

При палитре в 16,7 млн цветов (256 х 256 х 256  3 + 1 байт = 4 байта):

768 432 х 4 байта = 3 145 728 байт = 3,072 Мб.

Для адресации к ячейкам памяти объемом 64 Мб (67 108 864 байта = 2 26) необходимы 26 разрядов! Реально – 32 разряда (максимальный объем памяти: 2 32 = 4 294 967 298 = 4 Гб).

Итак, подход к построению памяти.

Память конструируют в виде иерархии слоев, как показано на рис. 4.

Верхний слой состоит из внутренних регистров ЦП (быстрая память). Они сделаны того же из материала, что и процессор, и так же быстры, как и сам процессор. Поэтому при доступе к ним обычно не возникает задержек. Внутренние регистры предоставляют возможность для хранения 32 х 32 бит на 32-разрядном процессоре и 64 х 64 бит на 64-разрядном процессоре. Программы управляют регистрами, то есть решают, что в них хранить.

В следующем слое находится оперативная память, верхняя часть — кэш-память. Кэш-память разделена на кэш-строки, обычно по 64 байта, с адресацией о 0 то 63 в нулевой строке, от 64 до 127 в первой строке и т.д. Наиболее часто используемые строки кэша хранятся в высокоскоростной кэш-памяти, расположенной внутри ЦП, или очень близко к нему.

При частоте 2,8 ГГц время выполнения одного такта 2,8571 e-10 сек. При скорости распространения электричества 300000 км в сек, за время такта сигнал пройдет расстояние, равное 8,57 см.

При обращении программы к памяти за содержимым ячейки кэш-контроллер проверяет, есть ли нужная строка в кэше. Если есть, то происходит обращение к кэш-памяти, запрос удовлетворяется из кэша и запрос к памяти на шину не выставляется. Удачное обращение к кэшу занимает 2 такта, а неудачное обращение приводит к обращению к памяти с существенной потерей времени. Кэш-память ограничена в размере, что обусловлено ее высокой стоимостью. В некоторых компьютерах имеются два и даже три уровня кэша, причем каждый последующий медленнее и больше предыдущего.

Далее следует основная память. Это главная рабочая область запоминающего устройства компьютера. Эту часть оперативной памяти называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, или RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом). Эта память реализована на БИС – больших интегральных микросхемах.

Далее на структуре памяти показан магнитный диск (жесткий диск). Дисковая память на 2 порядка дешевле ОЗУ в перерасчете на 1 бит и на 2 порядка больше по величине. У диска есть только одна проблема: случайный доступ к данным на нем занимает примерно на 3 порядка больше времени (в 1000 раз. Причиной низкой скорости жесткого диска является тот факт, что диск представляет собой механическую конструкцию, устройство которой продемонстрировано на рис. 5.

Жесткий диск состоит из одной или нескольких металлических блинов (пластин), вращающихся со скоростью 5400, 7200 или 10800 оборотов в минуту. Механическая вилка поворачивается над диском подобно звукоснимателю на старых граммофонах для проигрывания виниловых пластинок на скорости 33 оборота в минуту (78 оборотов). Информация записывается на пластины в виде концентрических окружностей. Головки в каждой заданной позиции вилки могут прочитать кольцо на пластинке, называемое дорожкой. Все вместе дорожки для заданной позиции вилки формируют цилиндр (количество цилиндров указываются на корпусе ЖД, как и общее число секторов).

Каждая дорожка разделена на секторы, обычно по 512 байт на сектор. Скорость считывания дорожек разная из-за разных угловых скоростей. Последние дорожки могут сбоить. Поэтому на современных дисках внешние цилиндры содержат большее количество секторов, чем внутренние. Перемещение головки от одного цилиндра к другому занимает около 1 мс, а перемещение к произвольному цилиндру требует от 5 до 10 мс в зависимости от диска. Когда головка расположится над правильной дорожкой, нужно подождать, пока двигатель повернет диск так, чтобы под головкой встал требуемый сектор. Это занимает дополнительно еще от 5 до 10 мс, в зависимости от скорости вращения диска. Далее, когда сектор находится под головкой, процесс чтения или записи происходит со скоростью от 5 Мбайт/с для низкоскоростных дисков до 160 Мбайт/с для высокоскоростных.

Последний слой в пирамиде памяти занимает магнитная лента (типа видеокассеты или бабины с лентой). Этот носитель информации часто используется для создания резервных копий жесткого диска, хранения больших объемов информации.

Для доступа информации на ленте необходимо выполнить следующие действия:

1. Поместить ленту в устройство для чтения магнитных лент (это выполняет человек или робот).

2. Лента перематывается до запрашиваемого блока с информацией Этот процесс может занимать минуты).

3. Считать информацию.

4. Снять ленту.

Преимущества МЛ:

— Дешевые и мобильные;

— Возможность восстановления информации при физической порче ленты до 90% (применяется избыточная запись по нескольким десяткам дорожек).

— Создание резервных копий в случае стихийных бедствий: пожары, наводнения, землетрясения.

Недостатки:

— Громоздкие и неудобные;

— Редко используются.

Представленная иерархия памяти типична, но в некоторых вариантах могут присутствовать не все уровни или другие их виды (например, оптический диск).

В любом случае при движении по иерархии сверху вниз время произвольного доступа значительно увеличивается от устройства к устройству, вместимость растет эквивалентно времени доступа, а стоимость одного бита информации падает.

Другие виды памяти.

Во многих компьютерах имеется постоянная память с произвольным доступом. В отличие от оперативной памяти, она не теряет свое содержимое при выключении компьютера. Это ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, ROM – Read Only Memory – память только для чтения) программируется в процессе производства и после этого его содержимое нельзя изменить (обычно для записи требуется — 12 В, запись производится на специальных устройствах). ПЗУ достаточно быстрая и дешевая. В нем записываются обычно программы начальной загрузки или ОС для карманных компьютеров (бортовые компьютеры, интеллектуальные приборы). Некоторые платы ввода/вывода содержат ПЗУ для управления периферийными устройствами (портами, принтером, монитором).

Электрически стираемое ПЗУ (EEPROM – Electricaly Erasable ROM) и флэшОЗУ.

Они также энергозависимы, но в отличие от ПЗУ их содержимое можно стереть и переписать. Однако запись данных на них требует намного больше времени, чем запись в оперативную память. Поэтому они используются точно также, как и ПЗУ.

CMOS-память. Используется для хранения текущих дат и времени, является энергозависимой. CMOS-память и часовая микросхема, отвечающая за отсчет времени, получает питание от маленького аккумулятора (“таблетка”), поэтому компьютер всегда показывает правильное время, даже если он был выключен. CMOS-память может содержать конфигурацию компьютера, информацию о том, откуда производить загрузку ОС.

Обычно срок службы аккумулятора 5-6 лет. Но при разрядке аккумулятора прогрессируют сбои системы (попытки загрузки ОС с дискеты или CD, не видит некоторые устройства, выдает ошибки RTC — Run Time Control, и т.д.).