6.2. Получение требуемой информации

УХД всегда устроены так, что не могут предоставить доступ ко всей информации сразу. Количество одновременно доступных битов данных или один или несколько (реже несколько десятков), что определяется особенностями технологии и конструкции УХД. С другой стороны, машина Тьюринга, лежащая в основе ЭВМ, как и архитектура ЭВМ, предложенная фон Нейманом, таковы, что одновременный доступ ко всем битам УХД и не требуется. Более того, все устройства хранения должны предоставлять только ту информацию, которая нужна пользователю.

Примечание. Не всегда УХД может быть частью машины фон Неймана, но, все равно, практически всегда достаточно выполнять запись или чтение не всего объема данных, а только некоторой его части.

Проблему получения данных можно представить в виде черного ящика. На входе мы указываем, что хотим получить, а на выходе получаем это. Если информация нам известна еще до запроса, в УХД нет необходимости. Это значит, что информацию мы должны искать по некоторой ее части. Такая операция называется поиском. При обычном поиске мы перебираем всю информацию пока не найдем необходимую. При большом объеме информации поиск может быть чрезвычайно длительным. Для ускорения поиска применяютпоиск по ключу. В этом случае некоторому набору информации, созданному по некоторому правилу, ставится в соответствии ключ или заголовок. Можно сказать, что множество ключей описывает всю доступную информацию на манер содержания. Далее происходит обычный поиск среди этих ключей. Для ускорения поиска ключи могут быть сортированы, тогда мы получимпоиск по сортированному ключу. По такому принципу устроены, например, словари и справочники.

Как показывает практика, УХД не могут быть организованы по таким принципам. Во-первых, УХД будет технически очень сложным, во-вторых, будет ориентировано на хранение каких-то определенных данных, то есть не будет универсальным. На практике применяется другой подход – с использованием адресации.

Адресация– это процесс получения доступа к информации по правилам, приведенным ниже.

УХД организуется как простой набор ячеек. Каждая ячейка имеет некоторый номер (код), называемый адрес. Номера не всегда назначаются последовательно (от единицы), но всегда с учетом технологических особенностей УХД так, чтобы доступ к любой ячейке был максимально простым и быстрым. При обращении к УХД требуется указать (говорят также – выставить) адрес ячейки. С этой ячейкой будут выполнены последующие действия (чтение или запись). Помещая данные в УХД, мы не можем заранее знать о ячейках с какими номерами они будут размещены, но мы знаем, что любые данные могут быть размещены в нашем УХД. Такая схема оказывается максимально простой, универсальной, а в некоторых случаях соответствует архитектуре фон Неймана.

Остается только выяснить, какие адреса соответствуют тем данным, которые мы хотим найти или разместить. Для этого назначаются правила, по которым информация будет размещена в УХД. Правила всегда выбираются такими, чтобы порядок определения адреса по ним можно было алгоритмизировать. Далее этот алгоритм оформляется в виде программы, которая размещается вместе с УХД.

Как правило, для некоторой части требуемых данных адреса находятся в ячейках памяти, принадлежащих запущенному процессу (т.е. исполняемой в ЭВМ программе). В свою очередь, адрес (или несколько адресов) исполняемого процесса, могут храниться в регистрах центрального процессора. Откуда берутся адреса, неизвестные исполняемому процессу?

В этом случае, перед программой (алгоритмом), осуществляющей доступ, ставится задача преобразовать некоторый ключ, который мы использовали при поиске, в адрес.

По способу преобразования ключа в адрес мы получаем два метода адресации. Если ключ в блоке доступа уже является адресом, т.е. однозначно определяет положение данных в УХД – такая адресация называется ассоциативной адресацией. Проблема использования ассоциативной адресации, кратко говоря, в том, что удобная для использования система ключей не удобна для реализации памяти, и наоборот. В частности, большинство практически применимых ключей не соответствуют адресам машины фон Неймана.

Простая адресациятребует наличия некоторого списка, где всем ключам (заголовкам) будет указан требуемый адрес в блоке доступа УХД. Такой список может называтьсясодержанием, глоссарием, таблицей содержимого, директорией, каталогоми т.д. Простой метод адресации соответствует архитектуре фон Неймана. Он значительно проще в реализации и на физическом уровне применяется почти всегда, однако, требует дополнительной (иногда достаточно длительной) операции поиска по списку ключей. Ассоциативная адресация чаще применяется как «виртуальная», т.е. ассоциативный адрес по определенным правилам преобразуется в обычный, который и используется для адресации в УХД. Иногда используются смешанные схемы адресации.

При простой адресации существует понятие объем адресного пространства – это количество всех возможных номеров, которые могут быть присвоены ячейкам УХД.

Проблема выбора размера минимально адресуемого поля.

При операциях с информацией почти всегда работают не с одним битом, а с некоторым их количеством (например, 8 бит – байт или текстовый символ), поэтому при адресации имеет смысл получать доступ сразу к группе битов. Эта группа называется минимально адресуемое поле(МАП) илиединица адресации, или ячейка.Выбор размера ячейки определяется технологическими и архитектурными особенностями применения УХД. Например, для оперативной памяти величину ячейки обычно выбирают равной машинному слову. Больший размер ячеек позволяет уменьшить размер адреса (см. ниже), что упрощает часть блока доступа, ответственную за адресацию, однако усложняет часть блока доступа, ответственную за перенос данных. Большое минимально адресуемое поле, кроме того, может уменьшить эффективность использования объема памяти. Больший размер ячеек увеличивает скорость работы с данными большого объема, однако, уменьшает ту же скорость с данными меньшего объема. С увеличением объема УХД размеры ячеек обычно увеличивают, однако этому процессу зачастую препятствуют аппаратные и программные требования к совместимости устройств. Когда говорят о памяти, размер ячейки или количество битов составляющих ячейку называютразрядностью памяти.

Размер минимально адресуемого поля нельзя путать с объемом данных считываемых/записываемых за одну операцию (иногда говорят о ширине канала данных), хотя в большинстве случаев они совпадают. Отличия начинаются в том случае, когда с целью увеличения скорости обмена увеличивают объем данных считываемых/записываемых за одну операцию, но размер минимально адресуемого поля увеличить не могут из-за соображений совместимости. Другими словами, в порции данных присутствует несколько ячеек. Возможно и другое явление. Из-за технологических ограничений объем считываемых/записываемых за одну операцию данных меньше размера минимально адресуемого поля. В этом случае доступ к ячейке производится последовательными порциями.