5.1.3. Память эвм. Виды запоминающих устройств

Память – совокупность отдельных устройств, которые запоминают, хранят, выдают информацию. Отдельные устройства памяти называют запоминающими устройствами (ЗУ). Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

Байт 0	Байт 1	Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт 7
ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО
СЛОВО				СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Производительность компьютеров в значительной мере определяется составом и характеристиками отдельных запоминающих устройств, которые различают по принципу действия, техническим характеристикам, назначениям. Основные операции с памятью – процедура записи, процедура чтения (выборка). Процедуры записи и чтения также называют обращением к памяти. За одно обращение к памяти «обрабатывается» для различных устройств различные единицы данных (байт, слово, двойное слово, блок). Основные технические характеристики – емкость, быстродействие (время обращения к ЗУ).

В некоторых ЗУ считывание данных сопровождается их разрушением. В этом случае цикл обращения к памяти всегда должен содержать регенерацию данных (ЗУ динамического типа). Этот цикл состоит из трех шагов:

время от начала операции обращения до того момента, как данные станут доступны (время доступа);

Ø      считывание;

Ø      регенерация;

Ø      процедура записи:

Ø      время доступа;

Ø      время подготовки (приведение в исходное состояние поверхности магнитного диска при записи)

Ø      запись;

Максимальная длительность чтения–записи называется временем обращения к памяти. По физическим основам все запоминающие устройства разделяются на полупроводниковые, магнито-оптические и т.д.

В зависимости от вида реализуемых операций память бывает двусторонней (память с любым обращением) и односторонней. Вторая сторона позволяет производить чтение-запись. Односторонняя память предназначена только для чтения или только для записи.

По способу организации доступа к данным все ЗУ разделяются на:

·        ЗУ с произвольным доступом. Цикл обращения таких устройств не зависит от того, в каком физическом месте ЗУ находятся требуемые данные. Такой способ доступа характерен для полупроводниковых ЗУ. Число записанных одновременно битов данных за одно обращение называют шириной выборки (доступа). К таким устройствам относятся те ЗУ, доступ к которым должен быть очень быстрым (оперативная память, сверхоперативная память)

·        ЗУ с прямым или циклическим доступом. В таких устройствах носитель информации непрерывно вращается. В результате требуемые данные доступны для чтения-записи через некоторый фиксированный промежуток времени. Такие ЗУ называют ЗУ циклического доступа (например, жесткий диск).

·        ЗУ с последовательным доступом. При последовательном доступе, прежде чем найти нужный участок ЗУ, нужно «просмотреть» либо все предыдущие участки памяти, либо предыдущий последовательно один за другим (накопитель на магнитной ленте).

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Требования, которые предъявляются к емкости и быстродействию памяти, являются противоположными с точки зрения технического исполнения, т.е. если память быстрая, то емкость мала и наоборот). На разных уровнях иерархии распределяются ЗУ,  которые обладают разными характеристиками. Структура памяти представлена на рисунке 5.5

Рисунок 5.5. Иерархическая структура памяти компьютера

Не говоря о конкретных цифрах ЗУ, нужно отметить, что они различаются у соседних уровней на 1, 2, 3, порядка. Любой низлежащий уровень имеет большую емкость и меньшее быстродействие. Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю

Оперативная память (ОП) обеспечивает хранение информации, которое непосредственно используется процессором (АЛУ, УУ) в ходе выполнения программ, следовательно ее характеристики непосредственным образом влияют на производительность компьютера. Быстродействие памяти меньше быстродействия процессора (7нс – время обращения к памяти, к процессору в 5 раз меньше). В современных компьютерах существует сверхоперативная память (кэш) – буфер между процессором и ОП. Кэш имеет небольшую емкость и обеспечивает временное хранение активных участков программ, активных участков данных , некоторой служебной информации для управления вычислительным процессом. Обмен между кэш и ОП происходит поблочно. Приблизительно на том же уровне располагается регистр, емкость которого мала, но быстродействие самое высокое и вписано в цикл работы процессора.

В ОП хранятся не все средства, которые необходимы для решения данной задачи, следовательно всегда должна быть внешняя память (ВП) большого объема, которая обеспечивает надежное хранение всех данных, необходимых для решения данной задачи. ВП принципиально процессору недоступна. Обмен между ВП и ОП реализуется системами управления памяти (аппаратно-программные средства), которые пользователю недоступны. ВП имеет емкость на несколько порядков больше, чем у ОП, время обращения к ВП исчисляется в мкс.

В современных компьютерах существуют некоторые отдельные виды памяти: буферы различного рода устройств. Для монитора есть свой буфер, каналы обмена имеют свой буфер. Буфер не оказывает значительное влияние на характеристики производительности.

Иерархия памяти позволяет:

Ø            повысить производительность процессора в целом;

Ø            увеличить пропускную способность памяти (среднюю скорость обмена);

Ø            предоставить в распоряжение пользователя практически не ограниченную память (виртуальную память).

Поскольку характеристики быстродействия различных устройств различны, то при построении памяти требуется согласование пропускных способностей каждого уровня. Достигается это за счет буферизации обмена между разными уровнями. Смысл буферизации заключается в том, что на каждом уровне выделяется некоторая область (для «автономного» обмена с дисками без участия процессора). Информационные единицы по мере удаления от процессора увеличивается.