Вычислительные и логические возможности вычислительной системы в значительной степени определяются характеристиками, входящего в его состав комплекса запоминающих устройств, предназначенных для записи, хранения и выдачи информации.
В общем случае комплекс запоминающих устройств ЭВМ содержит: сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) с произвольным обращением, ВЗУ с последовательным доступом. Порядок перечисления соответствует уменьшению быстродействия и увеличению емкости. Такой состав ЗУ позволяет сочетать хранение больших объемов информации с быстрым доступом к информации в процессе обработки. Иерархическая организация также позволяет обеспечить оптимальную стоимость памяти, так как она составляет существенную часть общей стоимости ЭВМ.
Требования к емкости и быстродействию памяти являются противоречивыми. Чем больше быстродействие, тем технически труднее достигается и дороже обходится увеличение емкости памяти. Стоимость памяти составляет значительную часть стоимости ЭВМ. Поэтому память ЭВМ организуется в виде иерархической структуры ЗУ, обладающих различными быстродействием и емкостью (рисунок 7).
Современная типовая иерархия памяти имеет следующую структуру:
- регистры 64-256 слов со временем доступа 1 такт процессора;
- КЭШ 1 уровня – 8 Килослов со временем доступа 1-2 такта;
- КЭШ 2 уровня – 256 Килослов со временем доступа 3-5 тактов;
- основная память до 4 Гигаслов со временем доступа 12-55 тактов.
Рисунок 7 – Структура иерархической организации многоуровневой памяти
В общем случае ЭВМ содержит сверхоперативную память (регистровую память), кэш – память, оперативную память, постоянную память, внешнюю память.
□ Регистровая память процессора - используется для промежуточного хранения данных в процессе их обработки. Энергозависимый вид памяти. Обладает наиболее высоким быстродействием, поскольку работает на тактовых частотах процессора. Время доступа составляет десятые доли наносекунд. Объем регистров - десятки и сотни машинных слов.
□ Кэш-память - дополнительный уровень памяти, играющий роль буфера между оперативной памятью и процессором. Служит для согласования скоростей их работы. Энергозависимый вид памяти. За исключением регистрового, это самый быстрый тип памяти, реализуемый на статических микросхемах памяти. Время доступа составляет единицы наносекунд. Объем кэша может достигать нескольких мегабайт. Отличается относительно высокой стоимостью и высоким энергопотреблением.
□ Оперативная память - запоминающее устройство (ОЗУ), которое служит для хранения информации (данных, программ, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в процессе выполнения операций в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) процессора. Из ОЗУ в процессор поступают команды программ и операнды, а из процессора в ОЗУ направляются на хранение промежуточные и конечные результаты обработки.
Информационная емкость ОЗУ значительно выше информационной емкости СОЗУ, а быстродействие соизмеримо со средним временем выполнения операций в процессоре. Время доступа в оперативной памяти составляет десятки наносекунд, а объем - несколько гигабайт.
ОЗУ - энергозависимый вид памяти. Оперативная память более дешевая, чем кэш-память, так как реализуется с помощью динамических микросхем. Микросхема ОЗУ состоит из множества одинаковых запоминающих элементов, образующих запоминающий массив. Он разделен на отдельные ячейки, каждая из которых предназначена для хранения одного слова. Каждая ячейка имеет свой номер, который называется адресом ячейки.
Оперативная память также характеризуется высокой надежностью хранения данных и программ, расчетная вероятность ошибки - одна в десять лет.
□ Внешняя память - магнитные и оптические диски. Служит информационным складом. Самый медленный уровень памяти, время доступа порядка 30 000 000 нс. Самая дешевая и самая емкая - объем современных дисков доходит до десятков терабайт.
Анализируя приведенный список, можно заметить, что уровни памяти компьютера как бы образуют пирамиду, в основании которой находится внешняя память, а на вершине - регистровая память. Уровень, лежащий в основании, - самый медленный, но зато обладает огромным объемом. По мере продвижения к вершине пирамиды характерный объем уменьшается, а скорость обмена увеличивается, достигая максимального значения у регистрового уровня.
Кроме перечисленных выше уровней памяти в компьютере используются еще несколько разновидностей запоминающих устройств, которые играют, в общем-то, вспомогательную, но довольно важную роль. Это буферная, постоянная и полупостоянная память.
Буферная память используется в адаптерах, контроллерах, портах и т. д. для временного хранения данных в процессе ввода/вывода с целью организации асинхронной работы внешних устройств или сглаживания разницы в скоростях работы устройств, между которыми осуществляется обмен. Это энергозависимый вид памяти. Различные устройства имеют разную по скорости и объему буферную память. Самым высоким быстродействием, сравнимым с быстродействием кэш-памяти, и объемом до десятков мегабайт обладает буферная память контроллеров дисплеев.
Постоянная память ( ПЗУ- постоянное запоминающее устройство или ROM, от Read Only Memory - память только для чтения) используется для энергонезависимого хранения важной системной информации. В постоянной памяти всегда находится часть операционной системы, которая называется BIOS (от Base Input/Output System - базовая система ввода/вывода). BIOS - это набор программ проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, который обеспечивает также выполнение простейших операций ввода с клавиатуры, вывода на дисплей и т. д. Постоянная память допускает только считывание. Типовое значение объема ПЗУ до 256 Кбайт при невысокой скорости обмена и времени доступа более 100 нс. Для повышения производительности содержимое постоянной памяти копируется в оперативную, и в работе используется только копия BIOS, которую часто называют теневой памятью. В последние годы постоянная память вытесняется другими видами энергонезависимой памяти, такими как флэш-память (от flash - вспышка, мгновение).
Микросхемы ЗУ по типу ЭП разделяют на статические и динамические.
В микросхемах статических ОЗУ в качестве ЭП (элементов памяти) применены статические триггеры на биполярных или МДП транзисторах.
В динамической памяти (DRAM) ячейки построены на основе полупроводниковых областей с накоплением зарядов - своеобразных конденсаторов, - занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Информация представляется в виде заряда: наличие заряда на конденсаторе соответствует логическому 0, отсутствие – логической 1.
В качестве оперативной памяти современных компьютеров используется динамическая память.
В связи с тем, что быстродействие динамической памяти недостаточно велико, постоянно происходит эволюция этого вида памяти. Различают следующие типы оперативной памяти: FPM DRAM; RAM EDO; BEDO DRAM; SDRAM; DDR SDRAM; DRDRAM и т. д.
Студент должен
знать:
- классификацию устройств памяти;
- основные характеристики памяти;
- виды адресации;
- разновидности кэш-памяти;
- иерархический принцип организации памяти;
- режимы работы памяти;
- основные типы динамических ОЗУ;
- назначение и особенности ПЗУ.