1.4. Запоминающие устройства и организация памяти

Для построения памяти могут использоваться устройства с различными физическими принципами хранения информации и различной организацией доступа к ней. Устройства, предназначенные для хранения информации и селективного доступа к ней, называются запоминающими устройствами или накопителями.

Основные характеристики запоминающего устройства (ЗУ) – емкость, быстродействие и стоимость. Емкость ЗУ определяется предельным количеством информации, размещаемым в ЗУ, и исчисляется в кило-, мега-, гига- и терабайтах. Быстродействие ЗУ характеризуется затратами времени на чтение‑запись информации при обращении к ЗУ. Стоимость ЗУ – это затраты средств в денежном выражении на хранение всего объема информации, определяемого емкостью ЗУ. Для сравнения качества ЗУ различных типов используется характеристика, называемая удельной стоимостью и равная стоимости ЗУ, деленной на емкость ЗУ. Удельная стоимость имеет размерность, например, доллар/Мбайт.

Наиболее широкое применение получили следующие типы ЗУ: полупроводниковые, магнитные, оптические и магнитооптические.

Полупроводниковые ЗУ. Полупроводниковые ЗУ строятся на основе интегральных схем памяти. Наиболее широко используются интегральные схемы емкостью до нескольких гигабайт и с длительностью цикла обращения (чтения‑записи) порядка десятка наносекунд. Полупроводниковые ЗУ обеспечивают хранение слов заданной длины (обычно до 8 байт) и требуемую емкость (от десятков мегабайт до гигабайт). Функциональная организация полупроводниковых ЗУ представлена на рис 1.4.

О

Ячейки

1

2

0

…

…

A

…

…

…

E-1

…

Слово

Адрес

Запись

Чтение

Рис. 1.4. Функциональная организация полупроводникового ЗУ

бращение к ЗУ производится с указанием адреса слова. Дешифратор выделяет ячейку с указанным адресом, из которой по сигналу «Чтение» читается или в которую по сигналу «Запись» записывается слово. Промежуток времени от момента начала обращения к ЗУ до получения или записи слова данных называется временем доступа к ЗУ. Промежуток времени, необходимый ЗУ для выполнения операции чтения или записи, иначе называется циклом обращения к ЗУ. Длительность цикла обращения к полупроводниковому ЗУ T_п зависит от быстродействия электронных элементов, на которых строятся интегральные схемы, и емкости интегральной схемы и всего ЗУ,

а также от используемой полупроводниковой технологии. Длительность цикла T_п постоянна при обращении к ячейке с любым адресом и характеризует быстродействие полупроводникового ЗУ. За единицу времени можно прочитать или записать V=1/ T_п слов или V=n/ T_п байтов, где n – длина слова в байтах. Так, при длине слова n=4 байта и длительности цикла T_п=10 нс производительность полупроводникового ЗУ составляет V=400 Мбайт/с.

Наиболее существенное свойство полупроводниковых ЗУ – независимость времени доступа от местоположения данных в памяти. В связи с этим ЗУ такого типа выделяются в особый класс ЗУ – ЗУ с произвольным доступом (RAM – Random Access Memory).

ЗУ на магнитных носителях. ЗУ на магнитных носителях подразделяются на три основных типа: ЗУ на магнитных дисках, ЗУ на дискетах, ЗУ на магнитной ленте.

ЗУ на магнитных дисках строятся по схеме, представленной на рис. 1.5. В качестве носителя информации используется магнитная пленка, нанесенная на диск. Запись и чтение данных производится магнитной головкой. В одной точке диска может быть записан один бит информации – значения 0 или 1. Данные размещаются по дорожкам 0, 1,…, D-1, выделяемым фиксированными положениями механизма доступа, несущего головку. Каждая дорожка разделяется на секторы, в которых размещаются последовательности битов, образующие сегменты данных. Наименьшей адресуемой единицей данных является сегмент.

Дорожки

Адрес сегмента состоит из адреса цилиндра, адреса дорожки и адреса сектора. Обращение к сегменту данных с целью их записи или чтения разделяется на следующие этапы:

1. Перемещение механизма доступа на заданный цилиндр. Длительность этого этапа составляет от 0, если механизм доступа уже находится на заданном цилиндре, до υ₁, если механизм должен переместиться между крайними дорожками, и является случайной величиной.

2. Ожидание подхода заданного сектора на позицию головки. Длительность этого этапа также случайная величина, лежащая в диапазоне от 0 до υ₂=1/, где  – скорость вращения диска (оборот/с).

3. Запись-чтение сегмента данных. Длительность этого этапа зависит от числа секторов и скорости вращения диска. При записи-чтении данные передаются со скоростью V байт/с, зависящей от плотности записи информации на диске, которая определяется свойствами системы «головка-диск». ЗУ на магнитных дисках имеют емкость десятки Гбайт и среднее время доступа составляет десяток миллисекунд.

ЗУ на магнитных дискетах состоят из дисковода, обеспечивающего вращение сменной дискеты и перемещение магнитной головки на заданную дорожку. Наиболее широко используются дискеты диаметром 3,5'', емкость которых составляет до 1,44 Мбайт. Время позиционирования между соседними дорожками составляет 3‑6 мс, максимальное время позиционирования – до 100 мс. Скорость вращения дискеты – 300 об/мин, в результате чего максимальное время ожидания перехода после окончания позиционирования составляет 200 мс. Скорость передачи данных обычно равна 250‑500 Кбайт/с.

ЗУ на магнитных дисках и дискетах обеспечивают доступ к затребованной единице данных (сегменту данных) за случайный промежуток времени, ограниченный предельным временем позиционирования и предельным временем ожидания. Такого рода ЗУ относятся к классу ЗУ с прямым доступом.

ЗУ на магнитной ленте состоят из лентопротяжного механизма (стримера) и кассет (картриджей) с магнитной лентой, обычно шириной 8 мм (рис. 1.6). Запись-чтение данных происходит при движении ленты и доступ к сегменту данных происходит при последовательном продвижении ленты из начала в конец или из конца в начало. ЗУ такого типа называются ЗУ с последовательным доступом.

ЗУ на оптических дисках. ЗУ на оптических дисках (компакт‑дисках) относятся к классу ЗУ с последовательным доступом и функционируют подобно ЗУ с магнитными лентами. Компакт‑диски имеют емкость до тысячи Мбайт. Дисководы для компакт‑дисков обеспечивают среднее время доступа порядка 20‑35 мс и скорость передачи данных порядка 0,9‑5,5 Мбайт/с. Стоимость хранения одного мегабайта информации невелика и составляет для компакт-дисков без перезаписи (CD‑R), но значительно больше для компакт‑дисков с перезаписью информации (CD‑RW). Оптические диски являются основными носителями для ввода в компьютер больших объемов информации: программных комплексов, справочной информации и т.д., а также для архивирования больших объемов данных.

Сравнительные характеристики ЗУ. Вышепредставленные характеристики позволяют сделать следующие выводы:

1. Только полупроводниковые ЗУ имеют малое время доступа, соответствующее темпу работы процессора. Однако удельная стоимость хранения данных в полупроводниковых ЗУ высока и ограничивает емкость полупроводниковой памяти.

2. Остальные типы ЗУ обеспечивают низкую удельную стоимость хранения данных, однако имеют низкое быстродействие – значительное время доступа к данным и невысокую скорость передачи данных.

Многоуровневая организация памяти. Память компьютера должна обеспечивать:

1. емкость, соответствующую области применения компьютера, т.е. классу решаемых задач;

2. быстродействие, достаточное для обеспечения работы процессора и устройств ввода‑вывода;

3. минимальную стоимость.

В общем случае ни одно из вышеперечисленных ЗУ не удовлетворяет этим трем противоречивым требованиям. Так, полупроводниковое ЗУ для хранения большого объема данных, исчисляемого в гигабайтах, будет крайне дорогим. В связи с этим память компьютеров строится из ЗУ нескольких типов по двухуровневой схеме (рис. 1.7).

_…

Для обеспечения высокого быстродействия процессора используется полупроводниковая память ограниченной емкости. Процессор имеет прямой доступ только к этой памяти, и ее называют оперативной (основной) памятью. Основная масса данных хранится вне оперативной памяти – в ЗУ на жестких дисках. Эти ЗУ называют внешними (ВЗУ), и их совокупность образует внешнюю память компьютера. Обычно емкость внешней памяти значительно больше емкости оперативной памяти.

Процессор имеет доступ к информации (командам и данным), хранимым только в оперативной памяти. При этом чтение и запись информации производится словами. Доступ к информации, хранимой во внешней памяти, организуется следующим образом. Для обращения к сегменту информации, хранимому во внешней памяти, необходимо сначала его передать в оперативную память, после чего информация из сегмента может обрабатываться процессором. Для разгрузки оперативной памяти сегмент информации, хранимой в оперативной памяти, передается в ВЗУ. На освободившееся в оперативной памяти место может быть передан из внешней памяти другой необходимый сегмент, который после этого становится доступным для процессорной обработки. Передача информации между оперативной и внешней памятью производится сегментами большого объема – 10³‑10⁴ байт. Это позволяет снижать влияние большого времени доступа к ВЗУ на время решения задач.

Важно отметить, что обмен данными между любыми ВЗУ невозможен и его можно производить только через оперативную память: прочитать данные из одного ВЗУ в оперативную память и затем записать эти данные в другое ВЗУ.

Обмен информацией между оперативной и внешней памятью программируется командами ввода‑вывода. Таким образом, ВЗУ приравниваются по своему статусу к устройствам ввода‑вывода.

Внешняя память компьютера может комплектоваться ЗУ со сменными носителями информации: компакт‑дисками, картриджами с магнитной лентой и дискетами (см. рис.1.7). Сменные носители используются для ввода и вывода программ и данных. Сменные носители хранятся вне компьютера и образуют архивную память. Доступ к информации, находящейся в архивной памяти, обеспечивается человеком, устанавливающим соответствующий носитель информации на ВЗУ.

Наряду со сказанным, быстродействие процессоров, используемых для решения научно-технических и коммерческих задач, как правило в 5-10 выше, чем быстродействие оперативной памяти. Поэтому возникает проблема согласования быстродействия процессора с быстродействием оперативной памяти. Эта проблема решается за счет использования

сверхоперативной (буферной) памяти, включаемой между процессором и оперативной памятью (рис. 1.8). Емкость сверхоперативной памяти невелика и составляет несколько процентов от емкости оперативной памяти. За счет этого и использования более сложной структурной организации время обращения к сверхоперативной памяти в 5-10 раз меньше, чем к оперативной памяти. Основное назначение сверхоперативной памяти – подмена ячеек оперативной памяти ячейками сверхоперативной памяти. Процессор, обращаясь за командами и данными к памяти, формирует адрес ячейки, который сначала поступает в

сверхоперативную память, где адрес сравнивается с адресами ячеек. Если указанный процессором адрес отсутствует в сверхоперативной памяти, обращение к памяти обслуживается оперативной памятью и выбранное слово передается и в процессор, и в сверхоперативную память. В результате этого в сверхоперативной памяти накапливаются команды и данные, участвующие в вычислительном процессе, и повторные обращения к ним обслуживаются сверхоперативной памятью, а не оперативной памятью. Таким образом сверхоперативная память, локализуя в себе команды и данные, уменьшает количество обращений к оперативной памяти, в результате чего быстродействие процессора увеличивается возможно до предельного значения.

Следует отметить, что сверхоперативная память прозрачна для программ компьютера, поскольку все функции по подмене ячеек оперативной памяти ячейками сверхоперативной памяти реализуется аппаратными средствами компьютера. Поэтому наличие сверхоперативной памяти сказывается только на времени выполнения программ и никоим образом не влияет на структуру программ.

Высокое быстродействие процессора достигается в частности за счет использования в процессорах регистровой памяти. Регистровая память процессора состоит из совокупности регистров, предназначенных для хранения наиболее часто используемых данных: промежуточных результатов вычислений, индексов, определяющих порядковые номера элементов массивов данных, и базовых адресов, определяющих адреса начала массивов. За счет того, что регистры образуют небольшую часть сверхбольшой интегральной схемы процессора, время доступа к любому регистру крайне мало (десятки фемтосекунд), что обеспечивает высокую скорость переключения регистров. Количество регистров в процессоре невелико. Регистры, в которых хранятся вышеуказанные данные, называются регистрами общего назначения, и их число составляет обычно от 8 до нескольких десятков. Как и ячейки оперативной памяти, регистры общего назначения имеют адреса R=0,1,2,…,2^r-1, где r=3,4,5,6, и позволяют использовать команды вида

,

где КО – код операции и R₁, R₂, R₃ – адреса регистров общего назначения. Естественно, что в регистрах общего назначения хранятся слова данных, наиболее интенсивно используемые в процессе вычислений. Именно в связи с использованием регистровой памяти процессоры обеспечивают выполнение команд, не требующих обращений к сверхоперативной и оперативной памяти, за 1-2 наносекунды.