Вопрос № 7 Иерархия ЗУ вычислительных систем

 

 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗУ ПО ФУНКЦИОНАЛЬНОМУ НАЗНАЧЕНИЮ

При разделении ЗУ по функциональному назначению иногда рассматривают два класса: внутренние и внешние ЗУ ЭВМ. В настоящее время 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 случаев относительный, условный характер. Обычно к внутренним ЗУ относят устройства, непосредственно доступные процессору, а к внешним – такие, обмен информацией которых с процессором происходит через внутренние ЗУ.

Верхнее место в иерархии памяти занимают регистровые ЗУ, которые входят в состав процессора и часто рассматриваются не как самостоятельный блок ЗУ, а просто как набор регистров процессора. Такие ЗУ в большинстве случаев реализованы на том же кристалле, что и процессор, и предназначены для хранения небольшого количества информации, которая обрабатывается в текущий момент времени или часто используется процессором. Это позволяет сократить время выполнения программы за счет использования команд типа регистр-регистр и уменьшить частоту обменов информацией с более медленными ЗУ ЭВМ. Обращение к этим ЗУ производится непосредственно по командам процессора.

Следующую позицию в иерархии занимают буферные ЗУ. Их назначение состоит в сокращении времени передачи информации между процессором и более медленными уровнями памяти компьютера. Ранее такие буферные ЗУ называли сверхоперативными, сейчас это название вытеснил термин кэш-память. Принцип использования буферной памяти во всех случаях сводится к одному и тому же. Буфер представляет собой более быстрое, но менее емкое ЗУ, чем то, для ускорения работы которого он предназначен. При этом в буфере размещается только та часть информации из более медленного ЗУ, которая используется в настоящий момент. Если доля обращений к памяти со стороны процессора, удовлетворяемых непосредственно буфером (кэшем) высока, то среднее время для всех обращений оказывается близким ко времени обращения к кэшу, а не к более медленному ЗУ. Обмен информацией между кэш-памятью и более медленными ЗУ для улучшения временных характеристик выполняется блоками, а не байтами или словами. Управляют этим обменом аппаратные средства процессора и операционная система, и вмешательство прикладной программы не требуется.

Еще одним (внутренним) уровнем памяти являются служебные ЗУ. Они могут иметь различное назначение. Одним из примеров таких устройств являются ЗУ микропрограмм, которые иногда называют управляющей памятью. Другим – вспомогательные ЗУ, используемые для управления многоуровневой памятью. В управляющей памяти, использующейся в ЭВМ с микропрограммным управлением, хранятся микропрограммы выполнения команд процессора, а также различных служебных операций. Вспомогательные ЗУ для управления памятью (напр., теговая память, используемая для управления кэш-памятью, буфер переадресации) представляют собой различные таблицы, используемые для быстрого поиска информации в разных ступенях памяти, отображения ее свойств, очередности перемещения между ступенями и пр.

Следующим уровнем иерархии памяти является оперативная память. Оперативное ЗУ (ОЗУ) является основным запоминающим устройством ЭВМ, в котором хранятся выполняемые в настоящий момент процессором программы и обрабатываемые данные, резидентные программы, модули операционной системы и т.п.

Еще одним уровнем иерархии ЗУ может являться дополнительная память, которую иногда называли расширенной или массовой. В ранних моделях ПЭВМ, дополнительная память также использовалась для наращивания емкости ОЗУ и представляла собой отдельную плату с микросхемами памяти. А еще позже термин дополнительная память стал обозначать область оперативного ЗУ с адресами выше одного мегабайта.

В состав памяти ЭВМ входят также ЗУ, принадлежащие отдельным функциональным блокам компьютера. Формально эти устройства непосредственно не обслуживают основные потоки данных и команд, проходящих через процессор. Их назначение обычно сводится к буферизации данных, извлекаемых из каких-либо устройств и поступающих в них. Типичны примером такой памяти является видеопамять графического адаптера, которая используется в качестве буферной памяти для снижения нагрузки на основную память и системную шину процессора. Другими примерами таких устройств могут служить буферная память контроллера жестких дисков, а также память, использовавшаяся в каналах (процессорах) ввода-вывода для организации одновременной работы нескольких внешних устройств.

Следующей ступенью памяти являются жесткие диски. В этих ЗУ хранится практически вся информация, которая используется более или менее активно, начиная от операционной системы и основных прикладных программ и кончая редко используемыми пакетами и справочными данными.

Все остальные ЗУ можно объединить с точки зрения функционального назначения в одну общую группу, охарактеризовав ее как группу внешних ЗУ. Под словом «внешние» следует подразумевать то, что информация, хранимая в этих ЗУ, в общем случае расположена на носителях, не являющихся частью собственно ЭВМ. Это гибкие диски, компакт-диски, накопители на сменных магнитных и магнитооптических дисках, флэш-диски, стримеры, внешние винчестеры и др. Функциональное назначение их обычно сводится либо к архивному хранению информации, либо к переносу ее от одного компьютера к другому.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗУ ПО ПРИНЦИПУ ОРГАНИЗАЦИИ

Особенности организации ЗУ определяются, в первую очередь, используемыми технологиями, логикой их функционирования. Эти особенности перечисляются ниже.

По функциональным возможностям ЗУ можно разделить:

- на простые, допускающие только хранение информации

- многофункциональные, которые позволяют не только хранить, но и перерабатывать хранимую информацию без участия процессора непосредственно в самих ЗУ

Подход, используемый во второй группе ЗУ, в принципе, позволяет создать производительные системы с параллельной обработкой данных.

По возможности изменения информации различают ЗУ:

- постоянные (или с однократной записью). В таких ЗУ (ПЗУ) информация заносится либо при изготовлении, либо посредством записи (или, как иначе называют эту процедуру, программирования или прожига), которая может быть выполнена только однократно. В ходе такой записи изменяется сам носитель информации, например, пережигаются проводники в микросхемах ПЗУ или формируются лунки в отражающем слое CD-ROM.

- односторонние (с перезаписью или перепрограммируемые). Односторонними называют ЗУ, которые имеют существенно различные времена записи и считывания информации. Такие как CD-RW. Время записи в устройствах этих типов значительно превышает время считывания информации.

- Двусторонние. Двусторонние ЗУ имеют близкие значения времен чтения и записи. Типичными представителями таких ЗУ являются оперативные ЗУ и ЗУ на жестких дисках.

По способу доступа различают ЗУ:

- с адресным доступом. При адресном доступе для записи или чтения место расположения информации в ЗУ определяется ее адресом. Логически адрес может иметь различную структуру. Например, в оперативных ЗУ адрес представляет собой двоичный код, одна часть разрядов которого указывают строку матрицы элементов памяти, а другая – столбец этой матрицы. На пересечении заданной строки и столбца находится искомая информация. В ЗУ на магнитных дисках адрес может представлять собой либо комбинацию номеров цилиндра, головки и сектора (так называемая CHS-геометрия), либо логический номер сектора (LBA-адресация). Возможны и иные варианты. В любом случае, заданный адрес отрабатывается схемами доступа ЗУ (дешифратором, блоком позиционирования головок и т.п.) таким образом, что в операции участвует соответствующая адресу область матрицы элементов памяти, запоминающей среды или носителя информации. При этом, в зависимости от того, как именно срабатывает механизм доступа, различают следующие виды адресного доступа:

- произвольный. Термин «память с произвольным доступом» (random access memory – RAM) применяют к ЗУ, в которых выбор места хранения информации производится непосредственным подключением входов и выходов элементов памяти (через буферы, усилители и логические элементы) к входным и выходным шинам ЗУ. Это наиболее быстрый вид адресного доступа, применяемый в оперативных ЗУ и кэш-памяти.

- прямой (циклический). При прямом (циклическом) доступе непосредственной коммутации связей оказывается недостаточно. В таких ЗУ обычно происходит еще и перемещение данных относительно механизма чтения/записи, механизма чтения/записи относительно данных или и то и другое. Физически это может быть как механическое перемещение, например, в жестких дисках, перемещение областей намагниченности, как в ЗУ на магнитных доменах, перенос зарядов и др.

- последовательный. Последовательный доступ характерен для ЗУ, использующих в качестве носителя информации (запоминающей среды) магнитную ленту, например, для стримеров. В таких ЗУ для доступа к блоку данных необходимо переместить носитель так, чтобы участок, на котором располагается требуемый блок данных, оказался под блоком головок чтения/записи.

- с ассоциативным доступом. При ассоциативном доступе место хранения информации при чтении и записи определяется не адресом, а значением некоторого ключа поиска. Каждое записанное и хранимое в ассоциативной памяти слово имеет поле ключа. Значение этого ключа сравнивается со значением ключа поиска при чтении данных из памяти. В случае совпадения сравниваемых значений информация считывается из памяти. Ассоциативная память эффективна для решения задач, связанных с поиском данных. Однако ее использование ограничено в силу сравнительно высокой ее сложности. Одним из частых применений ассоциативной памяти является быстрое преобразование логических (линейных_ адресов данных в физические (т.е. адреса ячеек памяти), выполняемое, например, так называемым буфером трансляции адресов. Другой близкой задачей является определение того, имеется ли требуемая информация в верхних уровнях ЗУ или необходима ее подкачка из более медленных ЗУ.

По организации носителя различают ЗУ:

- с неподвижным носителем. Когда носитель механически неподвижен в процессе чтения и записи информации, что имеет место, например, в оперативных и кэш ЗУ, твердотельных дисках, ЗУ с переносом зарядов и др.

- с подвижным носителем. Для этой группы ЗУ чтение и запись информации сопровождается механическим перемещением носителя, что обычно имеет место в различных ЗУ с магнитной записью, например в жестких и гибких дисках.

- Однако возможны и другие варианты. Например, фирмой IBM разрабатываются ЗУ с механическим перемещением записывающих и считывающих элементов (микроигл) и неподвижным носителем информации (пластиковой пленкой)

По возможности смены носителя ЗУ могут быть:

- с постоянным носителем. Здесь носитель является частью самого устройства и не может быть извлечен из него в процессе нормального функционирования (оперативные ЗУ, жесткие диски)

- со сменным носителем. Носитель не является собственной частью устройства и может устанавливаться в ЗУ и извлекаться из него в процессе работы (гибкие диски, CD-ROM-дисководы, флэш-диски и т.п.)

По способу подключения к системе ЗУ делятся:

- на внутренние (стационарные). Здесь ЗУ, как правило, является обязательным компонентом вычислительной системы, устанавливается в корпусе системы (например, оперативная память) или интегрируется с другими ее компонентами (например, кэш-память).

- на внешние (съемные). Устройство подключается к системе дополнительно и представляет собой отдельный блок.

По количеству блоков образующих модуль или ступень памяти, можно различить:

- одноблочные ЗУ

- многоблочные ЗУ

Такое разделение может представлять интерес в том случае, когда в многоблочное ЗУ входят блоки (или банки памяти), допускающие возможность параллельной работы. В этом случае за счет одновременной работы блоков можно повысить общую производительность модуля (ступени) ЗУ, иначе называемую его пропускной способностью и измеряемую количеством информации, которую модуль может записать или считать в единицу времени. Но возможность одновременной работы блоков еще не означает, что они именно так и будут работать. Чтобы это произошло, необходимо обращения системы к памяти более или менее равномерно распределять по различным блокам. Достичь этого можно различными способами, например, запустить параллельные задачи или процессы, работающие с разными блоками, либо разместить информацию, относящуюся к одному процессу, в разных блоках. Однако, поскольку параллельные процессы в действительности выполняются параллельно только в многопроцессорных системах (в крайнем случае, в гиперпоточных архитектурах), то часто используют второй путь, прибегая к так называемому чередованию, или расслоению, адресов между блоками. Т.е. последовательные адреса или группы адресов адресного пространства назначают в различные блоки память.