2-13

2. Запоминающие устройства

2.1. Назначение и классификация.

Памятью ЭВМ называется совокупность устройств служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. При обращении к памяти производятся операции записи и считывания (выборка). Память характеризуется емкостью и быстродействием - продолжительностью операций обращения к памяти или их числом в единицу времени. Часто считывание информации из ЗУ сопровождается ее разрушением (магнитная память) в связи с чем возникает необходимость ее регенерации, что увеличивает время обращения и, в принципе, замедляет ее работу. В контроллерах и в ЭВМ, имеющих перепрограммируемую постоянную память, время хранения информации в которой ограничено, также возникает необходимость регенерации.

По принципу действия различают ЗУ: полупроводниковые, магнитные с неподвижным запоминающими элементами (ЗЭ), магнито-механические с движущимся магнитным носителем, оптические.

По характеру обращения различают память с произвольным обращением (возможность считывания и записи, RAM ) и память только для считывания ПЗУ, ППЗУ - ROM.

По способу организации доступа: память с произвольным доступом (это оперативная память), с циклическим доступом - память на дисках и с последовательным доступом - на магнитных лентах. Быстродействие ЗУ от первого типа к последнему резко падает.

Требование к емкости и быстродействию ЗУ являются противоречивыми: чем больше емкость, тем ниже быстродействие, поэтому память организуется по иерархической структуре.

Обычно ЭВМ содержит (в порядке убывания быстродействия и увеличения емкости): сверхоперативную память (СОЗУ), оперативную память (ОЗУ) и внешнюю память (ВЗУ) - рис.2.1.

СОЗУ располагается непосредственно в микропроцессоре (или процессоре ЭВМ), имеет быстродействие, равное быстродействию процессора и выполняется на той же элементной базе. Обычно это регистровая память, емкость ее варьируется от нескольких десятков до нескольких сотен слов. СОЗУ хранит информацию, непосредственно нужную для ближайших операций. Кроме того, для согласования быстродействия процессора и системной шины, процессора и основной памяти используется КЭШ-память. Она может быть внутренняя и внешняя, свою КЭШ-память память могут иметь и некоторые внешние устройства, например, винчестер. За счет снижения частоты обращений к ОЗУ, необходимых только, если в КЭШе нет нужной информации, существенно повышается производительность ЭВМ.

Оперативная память хранит данные, программы, промежуточные и конечные результаты обработки, необходимые для решения текущей задачи. Обычно это память полупроводниковая, динамическая; ее емкость в современных ПЭВМ - несколько мегабайт; цикл обращения несколько десятков нс.

ВЗУ реализуется на магнитных дисках, лентах и оптических дисках; емкость - десятки мегабайт- несколько Гбайт; время обращения порядка мкс. Здесь хранится информация, которая непосредственно процессором не используется.

Иерархическая структура памяти позволяет не только эффективно использовать память по емкости и быстродействию, но и имитировать на реальном объеме памяти, значительно меньшем максимального, работу с максимальным объемом. Такой режим работы называется режимом виртуальной памяти (Пят106). Объем виртуальной памяти, теоретически доступной пользователю, определяется только разрядностью адресной части команды (при 32 битной адресной шине это - 2³²=4ГБ) и не существует в действительности. Обычно эта память представляется блоками (говорят имеет сегментно-страничную структуру; размер страницы в РС - 4кБ, т.е. при 4ГБ для нумерации страниц потребуется 12бит). Адрес виртуальной памяти состоит из двух частей: номера страницы (сегмента) - 20бит и смещения - 12бит. Виртуальная память частично размещается в блоках основной памяти, но большая ее часть находится во внешней памяти и по мере необходимости нужные страницы пересылаются операционной системой в основную память и обратно. Преобразование адресов основной памяти во внешнюю и наоборот осуществляется с помощью таблиц. Т.к. при этом потребуются таблицы с миллионом строк (если строка в 1Б, то такая таблица займет объем 4МБ, что недопустимо), то адрес делится не на две части (сегмент и смещение), а на три: каталог 10бит, таблица - 10бит и смещение - 12бит. В основной памяти хранятся только каталог (имеет служебный бит, указывающий на активность таблицы, т.е. присутствует она в ОП или нет) и активные таблицы страниц (имеют служебный бит, указывающий на активность страницы).

2.2. ОРГАНИЗАЦИЯ И СТРУКТУРА ЗУ.

ЗУ любого типа состоит из запоминающего массива ЗМ с элементами, хранящими информацию, и управляющих устройств, обеспечивающих поиск нужной информации в массиве, запись и считывание. Организация ЗУ зависит: от способов размещения информации и поиска ее. Выделяют три группы ЗУ:

Процессор

внутренняя аппаратура Внутр.КЭШ

память процессора СОЗУ(РОН)

КЭШ 2 ур.

памятьканала

ОЗУ

Ядро ЭВМ

внешняя

память ВЗУ (диски) ВЗУ (ленты)

Рис.2.1. Иерархия памяти в ЭВМ.

СОЗУ - сверхоперативное ЗУ; КЭШ - промежуточная память ( см. Дополнительные и специальные памяти ЭВМ); Диски - внешняя память с прямым доступом ; Ленты - внешняя память с последовательным доступом.

1. Адресная память. Поиск основан на использовании адреса, им обычно является номер ячеек в запоминающим массиве ЗМ, в которых искомое слово размещается.

2. Ассоциативная память. Поиск нужной информации производится не по адресу, а по ее содержанию (ассоциативному признаку), причем параллельно для всех ячеек ЗМ. Ассоциативный признак представляет собой код, содержащий либо нужное слово, либо его часть. При записи выявляются свободные ячейки и далее производится запись в одну из них.

3. Стековая память. Это безадресная память, ячейки ее ЗМ образуют одномерный массив, соседние ячейки которого используются для последовательной записи слов. Номер ближайшей свободной ячейки запоминается в указателях стека (счетчики). При записи очередного слова номер автоматически изменяется, считывание происходит в обратном порядке, т.е. первым считывается последнее записываемое слово.

Стек используется для кратковременного хранения промежуточных результатов, а также вектора состояния аппаратуры процессора (слово состояние процессора - ССП) во время выполнения прерывания. В реальных устройствах под стековую память, как правило отводится некоторая область оперативной памяти.