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 проанализироватьиспользуемые 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 наборыкоманд 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 фиксированнымлибо 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.

При оценке эффективности подобной организации памяти обычно использу­ют следующие характеристики:

· коэффициент попаданий (hit rate) — отношение числа обращений к памяти, при которых произошло попадание, к общему числу обращений к ЗУ данного уровня иерархии;

· коэффициент промахов (miss rate) — отношение числа обращений к памяти, при которых имел место промах, к общему числу обращений к ЗУ данного уровня иерархии;

· время обращения при попадании (hit time) — время, необходимое для поиска нужной информациив памяти верхнего уровня (включая выяснение, является ли обращение попаданием), плюс время на фактическое считывание данных;

· потери на промах (miss penalty) — время, требуемое для замены блока в памяти более высокого уровня на блок с нужными данными, расположенный в ЗУ сле­дующего (более низкого) уровня. Потери на промах включают в себя: 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 обусловлено задержкой памяти более низко­го уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания ка­нала между ЗУ двух смежных уровней.

Описание некоторого уровня иерархии ЗУ предполагает конкретизацию четырех моментов:

· размещения блока — допустимого места расположения блока на примыкающем сверху уровне иерархии;

· идентификации блока — способа нахождения блока на примыкающем сверху уровне;

· замещения блока — выбора блока, заменяемого при промахе с целью освобож­дения места для нового блока;

· согласования копий (стратегии записи) — обеспечения согласованности копии одних и тех же блоков, расположенных на разных уровнях, при записи новой информации в копию, находящуюся на более высоком уровне.

Самый быстрый, но и минимальный по емкости тип памяти — это внутренние регистры ЦП, которые иногда объединяют понятием сверхоперативное запомина­ющее устройство — СОЗУ. Как правило, количество регистров невелико, хотя в архитектурах с сокращенным набором команд их число может доходить до не­скольких сотен. Основная память (ОП), значительно большей емкости, распола­гается несколькими уровнями ниже. Между регистрами ЦП и основной памятью часто размещают кэш-память, которая по емкости ощутимо проигрывает ОП, но существенно превосходит последнюю по быстродействию, уступая в то же время СОЗУ. В большинстве современных ВМ имеется несколько уровней кэш-памяти, которые обозначают буквой L и номером уровня кэш-памяти. На рис.40. показаны два таких уровня. В последних разработках все чаще появляется также третий уровень кэш-памяти (L3), причем разработчики ВМ говорят о целесообразности введения и четвертого уровня — L4. Каждый последующий уровень кэш-памяти имеет большую емкость, но одновременно и меньшее быстродействие по сравне­нию с предыдущим. Как бы то ни было, по «скорости» любой уровень кэш-памяти превосходит основную память. Все виды внутренней памяти реализуются на ос­нове полупроводниковых технологий и в основном, являются энергозависимыми.

Долговременное хранение больших объемов информации (программ и данных) обеспечивается внешними ЗУ, среди которых наиболее распространены запоми­нающие устройства на базе магнитных и оптических дисков, а также магнитоленточные ЗУ.

Наконец, еще один уровень иерархии может быть добавлен между основной памятью и дисками. Этот уровень носит название дисковой кэш-памяти и реали­зуется в виде самостоятельного ЗУ, включаемого в состав магнитного диска. Дис­ковая кэш-память существенно улучшает производительность при обмене инфор­мацией между дисками и основной памятью.

Иерархия может быть дополнена и другими видами памяти. Так, некоторые модели ВМ фирмы IBM включают в себя так называемую расширенную память (expanded storage), выполненную на основе полупроводниковой технологии, но имеющую меньшее быстродействие и стоимость по сравнению с ОП. Строго гово­ря, этот вид памяти не входит в иерархию, а представляет собой ответвление от нее, поскольку данные могут передаваться только между расширенной и основной памятью, но не допускается обмен между расширенной и внешней памятью.

 

 

Основная память

Основная память (ОП) представляет собой единственный вид памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно (исключение составляют лишь регистры Центрального процессора). Информация, хранящаяся па внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память. Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным досту­пом. Такие ЗУ образованы как массив ячеек, а «произвольный доступ» означает, что обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может производить­ся в произвольной последовательности. Каждая ячейка содержит фиксированное число запоминающих элементов и имеет уникальный адрес, позволяющий разли­чать ячейки при обращении к ним для выполнения операций записи и считыва­ния.

Следствием огромных успехов в области полупроводниковых технологий стало изменение элементной базы основной памяти. На смену ЗУ на базе ферромагнит­ных колец пришли полупроводниковые микросхемы, использование которых в наши дни стало повсеместным.

Основная память может включать в себя два типа устройств: оперативные за­поминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

В качестве первого критерия, по которому можно классифицировать запоминаю­щие устройства основной памяти, рассмотрим способ синхронизации. С этих по­зиций известные типы ЗУ подразделяются на синхронные и асинхронные.

В микросхемах, где реализован синхронный принцип, процессы чтения и запи­си (если это ОЗУ) выполняются одновременно с тактовыми сигналами контрол­лера памяти.

Асинхронный принцип предполагает, что момент начала очередного действия определяется только моментом завершения предшествующей операции. Перено­ся этот принцип на систему памяти, необходимо принимать во внимание, что кон­троллер памяти всегда работает синхронно. В асинхронных ЗУ цикл чтения начи­нается только при поступлении запроса от контроллера памяти, и если память не успевает выдать данные в текущем такте, контроллер может считать их только в следующем такте, поскольку очередной шаг контроллера начинается с приходом оче­редного тактового импульса. В последнее время асинхронная схема активно вы­тесняется синхронной.

Преимущественную долю основной памяти образует ОЗУ, называемое опера­тивным, потому что оно допускает как запись, так и считывание информации, причем обе операции выполняются однотипно, практически с одной и той же ско­ростью, и производятся с помощью электрических сигналов. В англоязычной литературе ОЗУ соответствует аббревиатура RAM — Random Access Memory, то есть «память с произвольным доступом», что не совсем корректно, поскольку па­мятью с произвольным доступом являются также ПЗУ и регистры процессора. Для большинства типов полупроводниковых ОЗУ характерна энергозависимость — даже при кратковременном прерывании питания хранимая информация теряется. Микросхема ОЗУ должна быть постоянно подключена к источнику питания и по- I этому может использоваться только как временная память.

Вторую группу полупроводниковых ЗУ основной памяти образуют энергоне­зависимые микросхемы ПЗУ (ROM — Read-Only Memory). ПЗУ обеспечивает считывание информации, но не допускает ее изменения (в ряде случаев информация в ПЗУ может быть изменена, но этот процесс сильно отличается от считывания и требует значительно большего времени).

 

 

1 Факторы, определяющие развитие архитектуры вычислительных систем. Тенденции развития полупроводниковых запоминающих устройств.