4. принципы организации подсистемы памяти ЭВМ - файл

приобрести
скачать (190.5 kb.)



4. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМЫ ПАМЯТИ ЭВМ
4.1. Иерархическая структура памяти ЭВМ
Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запо- минания, хранения и выдачи информации.
Основными характеристиками отдельных устройств памяти (запоми- нающих устройств) являются емкость памяти, быстродействие и стоимость хранения единицы информации (бита).
Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, ко- торые могут в ней храниться. Емкость измеряется в двоичных единицах (би- тах), машинных словах, но большей частью в байтах (1 байт = 8 бит). Часто емкость памяти выражают через число К = 1024, например, Кбит — килобит,
Кбайт — килобайт, 1024 Кбайт = 1 Мбайт (Мегабайт), 1024 Мбайт = 1 Гбайт
(гигабайт), 1024 Гбайт = 1 Тбайт (терабайт).
Быстродействие (задержка) памяти определяется временем доступа и длительностью цикла памяти. Время доступа представляет собой промежуток времени между выдачей запроса на чтение и моментом поступления запрошенного слова из памяти. Длительность цикла памяти определяется минимальным временем между двумя последовательными обращениями к памяти.
Требования к увеличению емкости и быстродействия памяти, а также к снижению ее стоимости являются противоречивыми. Чем больше быстро- действие, тем технически труднее достигается и дороже обходится увеличе- ние емкости памяти. Стоимость памяти составляет значительную часть об- щей стоимости ЭВМ. Исходя из этого, память ЭВМ организуется в виде ие- рархической структуры (рис. 4.1) запоминающих устройств, обладающих различным быстродействием и емкостью. Чем выше уровень, тем выше бы- стродействие соответствующей памяти, но меньше её емкость. К верхнему
(сверхоперативному) уровню относятся регистры операционных и управ- ляющих блоков процессора, сверхоперативная память, управляющая память, буферная память. На втором уровне находится основная или оперативная па- мять. На последующих уровнях размещается внешняя и архивная память.
Система управления памятью обеспечивает обмен информационными блока- ми между уровнями, причем обычно первое обращение к блоку информации вызывает его перемещение с низкого медленного уровня на более высокий.
Это позволяет при последующих обращениях к данному блоку осуществлять его выборку с более быстродействующего уровня памяти.
Сравнительно небольшая емкость оперативной памяти (8 - 64 Мбайта) компенсируется практически неограниченной емкостью внешних запоми- нающих устройств. Однако эти устройства сравнительно медленные — время обращения за данными для магнитных дисков составляет десятки микросекунд. Для сравнения: цикл обращения к оперативной памяти (ОП) составляет 50 нс. Исходя из этого, вычислительный процесс должен протекать с возможно меньшим числом обращений к внешней памяти.


Рис.4.1. Иерархическая структура памяти
Непрерывный рост производительности ЭВМ проявляется, в первую очередь, в повышении скорости работы процессора. Быстродействие ОП также растет, но все время отстает от быстродействия аппаратных средств процессора в значительной степени потому, что одновременно происходит опережающий рост её емкости, что делает более трудным уменьшение вре- мени цикла работы памяти. Вследствие этого быстродействие ОП часто ока- зывается недостаточным для обеспечения требуемой производительности
ЭВМ. Это проявляется в несоответствии пропускных способностей процес- сора и ОП. Возникающая проблема выравнивания их пропускных способно- стей решается путем использования сверхоперативной буферной памяти не- большой емкости и повышенного быстродействия, хранящей команды и дан- ные, относящиеся к обрабатываемому участку программы.
При обращении к блоку данных, находящемуся на оперативном уровне, его копия пересылается в сверхоперативную буферную память (СБП). По- следующие обращения производятся к копии блока данных, находящейся в
СБП. Поскольку время выборки из сверхоперативной буферной памяти (5 нс) намного меньше времени выборки из оперативной памяти ton, введение в структуру памяти СБП приводит к уменьшению эквивалентного времени об- ращения по сравнению с ton: где а = (1 — q) и q — вероятность нахождения блока в СВП в момент обра- щения к нему, т.е. вероятность «попадания». Очевидно, что при высокой ве- роятности попадания эквивалентное время обращения приближается к вре- мени обращения к СБП.
В основе такой организации взаимодействия ОП и СБП лежит принцип локальности обращений, согласно которому при выполнении какой-либо программы (практически для всех классов задач) большая часть обращений в пределах некоторого интервала времени приходится на ограниченную об- ласть адресного пространства ОП, причем обращения к командам и элемен- там данных этой области производятся многократно. Это позволяет копии наиболее часто используемых участков программ и некоторых данных загру- зить в СБП и таким образом обеспечить высокую вероятность попадания q.


Высокая эффективность применения СБП достигается при q  0,9.
Буферная память не является программно доступной. Это значит, что она влияет только на производительность ЭВМ, но не должна оказывать влияния на программирование прикладных задач. Поэтому она получила название кэш-памяти (в переводе с английского - тайник). В структуре одних ЭВМ используется объединенная кэш-память команд и данных, в других ЭВМ — раздельные кэш-памяти для команд и для данных. Кэш-память, входящую в состав процессора, называют кэш-памятью первого уровня. В современных компьютерах применяют кэш-память второго уровня, которая находится между процессором и ОП и еще больше повышает производительность ЭВМ.


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации