Иерархия памяти (перечислите уровни памяти современной ЭВМ). Роль регистровой памяти процессора. -

Иерархия памяти ЭВМ. Память ЭВМ должна иметь большую информационную емкость V, малое время обращения t (высокое быстродействие), высокую надежность и низкую стоимость. Но с увеличением емкости снижается быстродействие и растет стоимость. Деление памяти на ОЗУ и ВЗУ не снимает это противоречие полностью, так как различие в быстродействии процессора, ОЗУ и ВЗУ очень велико. Поэтому обмен информацией производится через дополнительные буферные устройства, то есть память ЭВМ имеет иерархическую многоуровневую структуру. Чем больше быстродействие ЗУ, тем выше стоимость хранения 1 байта, тем меньшую емкость имеет ЗУ.

Иерархия памяти ЭВМ:

· регистры микропроцессорной памяти, а также кэш-память первого и второго уровня t=10-9-10-6 t=10-9-10-6 с, V=102-104 бит);

· внутренняя память ПЗУ, ОЗУ t=10-6-10-3 t=10-6-10-3 с, V=10-4-107 бит);

· внешняя память (t=10-3-1 с, V=107-109 бит);

· массовая или архивная память (t=1-10 с, V=109-1010 V=109-1010 бит).

Эта система запоминающих устройств работает как единое ЗУ с большой емкостью (за счет внешних ЗУ) и высоким быстродействием (за счет внутренних ЗУ).

Микропроцессорная память -- высокоскоростная память небольшой емкости, входящая в МП и используемая АЛУ для хранения операндов и промежуточных результатов вычислений. КЭШ-память -- это буферная, не доступная для пользователя память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в медленно действующих запоминающих устройствах. Для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейках электронной памяти.

Внутренняя память состоит из ПЗУ (ROM -- Read Only Memory) и ОЗУ (RAM -- Random Access Memory -- память с произвольным доступом). ПЗУ состоит из установленных на материнской плате микросхем и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы (ОС), программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS -- Base Input-Output System) и др. Из ПЗУ можно только считывать информацию, емкость ПЗУ -- сотни Кбайт. Это энергонезависимая память, -- при отключении ЭВМ информация сохраняется.

Внешняя память относится к внешним устройствам ЭВМ и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться. В ВЗУ хранится программное обеспечение ЭВМ. Внешняя память: НЖМД и ЖМД, НГМД и ГМД (магнитный диск), стример (НМЛ -- накопитель на магнитной ленте), оптические накопители для CD-ROM и DVD-дисков.

Информационная структура внешней памяти -- файловая. Наименьшей именуемой единицей является файл, -- наименованная совокупность однородных данных. Информация в файле состоит из битов и байтов, но они не имеют адресов, так как носитель (магнитный диск) не дискретный.

Регистр и регистровый вид памяти

Для ускорения выполнения машинных команд в процессоре предусмотрен еще один вид памяти — регистровый. Регистр — это устройство для кратковременного хранения информации в процессе ее обработки. Еще раз обращаем внимание на то, что регистры входят в состав процессора, а не образуют отдельное устройство. Регистр может хранить один или несколько символов, число, код машинной команды, какой-нибудь адрес оперативной памяти. Регистры представляют собой самый быстродействующий вид памяти, но процессор имеет всего один-два десятка регистров

Иерархия памяти. Роль оперативной памяти. Многозадачность.

 

 

Кэш память = сверхоперативная память

 

Известно, что память ЭВМ предназначена для хранения программ и данных, причем эффективность работы ЭВМ во многом определяется характеристиками ее памяти. Во все времена к памяти предъявлялись три основных требования: большой объем, высокое быстродействие и низкая (умеренная) стоимость.

Все перечисленные выше требования к памяти являются взаимно-противоречивыми, поэтому пока невозможно реализовать один тип ЗУ, отвечающий всем названным требованиям. В современных ЭВМ организуют комплекс разнотипных ЗУ, взаимодействующих между собой и обеспечивающих приемлемые характеристики памяти ЭВМ для каждого конкретного применения.

 

I. Регистровая память – местная память процессора.

Отличительные черты:

1)Самая быстрая

2)Самое маленькое время доступа

3)Большая стоимость

4)Маленькая емкость

“регистры”(registers) – модули, построенные на триггерах.

Триггер - это устройство последовательного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется. (вдруг спросит)

В регистрах хранятся операнды(числа(двоичные), которые процессор обрабатывает, при выполнении текущей команды)

или результаты их команд, которые выполняет процессор в текущем такте.

II. Сверхоперативная память

 

СОЗУ обладает максимальным быстродействием (равным процессорному), небольшим объемом (10⁵ — 10⁷ байтов) и располагается, как правило, на кристалле процессорной БИС. Для обращения к СОЗУ не требуются магистральные (машинные) циклы. В СОЗУ размещаются наиболее часто используемые на данном участке программы данные, а иногда — и фрагменты программы.

В вычислительных системах используют многоуровневый кэш

1. Кэш процессора 1го уровня (L1) — время доступа порядка нескольких тактов, размером в десятки килобайт

2. Кэш процессора 2го уровня (L2) — большее время доступа (от 2 до 10 раз медленнее L1), около полумегабайта или более

3. Кэш процессора 3го уровня (L3) — время доступа около сотни тактов, размером в несколько мегабайт (в массовых процессорах используется с недавнего времени)

В настольных системах обычно используется двухуровневый кэш,

в серверных - трехуровневый.

 

Кэш служит высокоскоростным буфером между ЦП и относительно медленной основной памятью.

 

 

III. Оперативная память

 

Служит для размещения туда программ целиком и сегментных данных, которые она использует. Связь между процессором и ОЗУ осуществляется по системному или специализированному интерфейсу и требует для своего осуществления машинных циклов

ОЗУ системы — время доступа от сотен до, возможно, тысячи тактов, но огромные размеры в несколько гигабайт, вплоть до десятков. Время доступа к ОЗУ может варьироваться для разных его частей в случае комплексов класса NUMA (с неоднородным доступом в память)

 

Организационные методы (сплошная и сегментированная) распределения памяти позволяют организовать вычислительную систему, в которой рабочее адресное пространство программы превышает размер фактически имеющейся в системе оперативной памяти, при этом недостаток оперативной памяти заполняется за счет внешней более медленной или более дешевой памяти (винчестер, флэш-память и т.п.) Такую концепцию называют виртуальной памятью.

 

Кратко:

Оперативная память

 

n В оперативной (внутренней) памяти компьютера хранятся данные и программы.

n Оперативная память представляет собой последовательность пронумерованных, начиная с нуля, ячеек.

n В каждой ячейке оперативной памяти может храниться двоичный код.

 

IV. Внешняя память

 

Информация, находящаяся в ВЗУ, не может быть непосредственно использована процессором. Для использования программ и данных, расположенных в ВЗУ, их необходимо предварительно переписать в ОЗУ. Процесс обмена информацией между ВЗУ и ОЗУ осуществляется средствами специального канала или (реже) — непосредственно под управлением процессора. Объем ВЗУ практически неограничен, а быстродействие на 3 — 6 порядков ниже процессорногo

Кроме реализации системы виртуальной памяти внешние ЗУ используются для долговременного хранения программ и данных в виде файлов. Большинство операционных систем (ОС) поддерживают многозадачность. Они последовательно переключают задачи одну на другую.В каждый момент времени процессор выполняет только одну задачу. В многопоточных процессорах одновременно могут выполняться несколько задач. ОС планирует какая из задач будет выполняться следующей, выбирает эту задачу и переключает контексты задач. Методы переключения зависят от стратегии, выбранной ОС.

 

Энергонезависимая память=внешняя память.

Вопрос 17 Иерархия памяти. Роль оперативной памяти. Чем может быть обусловлено применение виртуальной памяти. -

 

1)

 

2)

Роль оперативной памяти - ОЗУ предназначено для хранения переменной информации; оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения вычислительного процесса. Таким образом, процессор берёт из ОЗУ код команды и, после обработки каких-либо данных, результат обратно помещается в ОЗУ.

 

Причем возможно размещение в ОЗУ новых данных на месте прежних, которые при этом перестают существовать. В ячейках происходит стирание старой информации и запись туда новой. Из этого видно, что ОЗУ является очень гибкой структурой и обладает возможностью перезаписывать информацию в свои ячейки неограниченное количество раз по ходу выполнения программы. Поэтому ОЗУ играет значительную роль в ходе формирования виртуальных адресов.

 

3)

Виртуальная память представляет собой совокупность всех ячеек памяти оперативной и внешней, имеющих сквозную нумерацию от нуля до предельного значения адреса.

 

виртуальная память позволяет модифицировать ресурсы памяти, сделать объём оперативной памяти намного больше, для того чтобы пользователь, поместив туда как можно больше программ, реально сэкономил время и повысил эффективность своего труда.

 

18. Процессор ЭВМ. Его основные функциональные блоки. Основная функция блока управления.

 

· блок предвыборки

· кэш-память

· декодер (дешифратор)

· блок управления

· контроллер прерываний

· операционные устройства АЛУ

· устройства вещественной арифметики FPU

· устройство управления памятью

· интерфейс

Основная функция блока управления – генерирование последовательности управляющих сигналов на основе поступающих операционных частей команд.