Принцип ієрархічної організації пам'яті. Характеристики ефективності ієрархічної організації пам'яті

Принцип ієрархічної організа ції пам ’яті

З проведеного вище аналізу можна зробити висновки про наступні фундаментальні З та стабільні протягом тривалого часу властивості апаратних та програмних засобів су- З часного комп’ютера:

■ чим менший час доступу до пам’яті, тим менша її ємність та вища вартість збері- З гання в ній одного біта інформації;

■ чим більша ємність пам’яті, тим більший час доступу до неї та нижча вартість Ззберігання в ній одного біта інформації;

■ існує значна різниця між продуктивністю процесора і основної пам’яті, а також з між продуктивністю основної та зовнішньої пам’яті; З

комп’ютерні програми наділені властивістю локальності за зверненням до пам’яті. Ці фундаментальні властивості позитивно доповнюють одна одну з точки зору ви­рішення завдання забезпечення необхідної ємності та високої швидкодії пам’яті за при­йнятну ціну. Вони є підґрунтям доцільності використання при побудові системи пам’яті підходу, відомого як принцип ієрархічної організації пам’яті.

Відповідно до цього принципу пам’ять комп’ютера складається із пристроїв пам’яті різних типів, які, залежно від характеристик, належать до певного рівня ієрархії.

Пам’ять нижчого рівня має меншу ємність, швидша і має велику вартість в перера­хунку на біт, ніж пам’ять вищого рівня. Рівні ієрархії взаємозв’язані: всі дані на деякому нижчому рівні можуть бути також знайдені на вищому рівні, і всі дані на цьому вищому рівні можуть бути знайдені на наступному вищому рівні і т. д.

З рухом вверх по ієрархічній структурі зменшується співвідношення вартість/біт, зрос­тає ємність та час доступу. Однак завдяки властивості локальності за зверненням з рухом вверх по ієрархічній структурі зменшується частота звернення до пам’яті з боку нижчих рівнів, що веде до зменшення загальної вартості при заданому рівні продуктивності.

На кожному рівні ієрархії пам’ять розбивається на блоки, які є найменшою інформа­ційною одиницею, що пересилається між двома сусідніми рівнями ієрархії. Розмір бло­ків може бути фіксованим або змінним. При фіксованому розмірі блоку ємність пам’яті зазвичай кратна його розміру: Розмір блоків на кожному рівні ієрархії найчастіше різний і збільшується від нижчих рівнів до вищих.

Процесор взаємодіє з пам’яттю найнижчого рівня ієрархії, яка розміщена найближче до нього. При зверненні з боку процесора до пам’яті, наприклад, для зчитування команд або даних, проводиться їх пошук в пам’яті нижнього рівня. Факт виявлення потрібної інформації називають попаданням (hit), інакше говорять про промах (miss). ГІри про­маху проводиться пошук потрібної інформації в пам’яті наступного вищого рівня, де також можливі попадання або промахи. Після виявлення необхідної інформації викону­ється послідовне пересилання вмісту блоку з шуканою інформацією з вищих рівнів на нижчі. Слід зазначити, що незалежно від числа рівнів ієрархії, пересилання інформації може здійснюватися лише між двома сусідніми рівнями, тобто пересилання інформації в обхід деяких рівнів не допускається.

При проведенні обміну інформацією блоками між пристроями пам’яті різних рівнів ієрархії необхідно вирішувати наступні питання:

■ вибрати правило заміщення вмісту одних блоків вмістом інших блоків, оскільки через меншу ємність в пам’яті нижчого рівня не може бути така сама кількість блоків, як в пам’яті вищого рівня;

- визначити допустиме місце розташування нового вмісту блоку при записі з до­триманням правила заміщення;

■ вибрати та дотримуватись стратегії запису з метою забезпечення узгодженості копій вмісту одних і тих же блоків, розташованих на різних рівнях, при записі нової ін­формації в копію, що знаходиться на нижчому рівні.

Характеристики ефективності ієрархічної організації пам’яті

При оцінці ефективності ієрархічної організації пам’яті використовують наступні характери стики:

коефіцієнт попадань відповідного рівня ієрархії пам’яті - відношення числа звернень з пам’яті даного рівня ієрархії до пам’яті наступного вищого рівня, при яких відбулося попадання, до загального числа звернень з пам’яті даного рівня ієрархії до пам’яті наступного вищого рівня ієрархії. Попадання - факт виявлення потрібної інфор­мації при зверненні до пам’яті наступного вищого рівня;

■ коефіцієнт промахів - відношення числа звернень до пам’яті наступного вищого рівня, при яких мав місце промах, до загального числа звернень до пам’яті даного рівня ієрархії. Якщо позначити коефіцієнт попадань через к^, а коефіцієнт промахів через к_т, то залежність між ними можна виразити наступною формулою: к_т = 1 - к_ь;

■ час звернення при попаданні - час, необхідний для пошуку потрібної інформації в пам’яті нижчого рівня (включаючи з’ясування, чи є звернення попаданням), плюс час на фактичне зчитування даних;

■ втрати на промах - час, потрібний для заміни блоку в пам’яті нижчого рівня на блок з потрібними даними, розташований у пам’яті наступного (вищого) рівня.

■ середній час доступу до пам’яті, який визначається з виразу: ^ = ^ + к_т у де ї_ь

час звернення при попаданні, і - втрати на промах. Імовірність попадання в сучасних комп’ютерах є досить високою (бпля 95 % від загальної кількості звернень), і, відповідно, коефіцієнт промахів є низьким. Однак, через велику різницю між швидкодією пам’яті нижчого і вищого рівнів, навіть такий низький коефіцієнт промахів суттєво впливає на середній час доступу до пам’яті. Так, якщо прийняти, що час доступу до пам’яті нижчого рівня складає 1 такт, а час доступу до пам’яті вищого рівня в 10 разів більший, то серед­ній час доступу буде рівним