Основные параметры и общее представление иерархии запоминающих устройств

Память современных компьютеров – сложная иерархическая система запоминающих устройств, отличающихся друг от друга выполняемыми функциями, принципом действия, конструктивно-технологических исполнением, быстродействием, информационной емкостью, энергопотреблением и другими параметрами.

Запоминающие устройства (ЗУ) компьютера предназначены для хранения информации и обмена ею с другими его устройствами (процессором, периферийным оборудованием). В качестве основных параметров, принимаемых во внимание при выборе архитектуры ЗУ, рассматриваются следующие.

Информационная емкость – выраженный в битах (байтах, словах) максимально возможный объем хранимой информации. Этот объем зависит от архитектуры ЗУ, определяющей тип используемых элементов памяти, принципы доступа к ним, разрядность хранимых слов, объем адресного пространства.

Быстродействие памяти характеризуется временем доступа и длительностью цикла. Время доступа – задержка появления действительных данных на выходе памяти относительно начала цикла чтения, т.е. длительность активной фазы обращения к памяти, после которой следует фазы восстановления. Длительность цикла – минимальный период следования обращений к памяти.

Производительность памяти – скорость потока записываемых или считываемых данных, измеряемая в мегабайтах в секунду и определяемая тремя факторами:

- типом и быстродействием применяемых ЗУ (микросхем памяти, модулей памяти);

- разрядностью шины памяти (количеством одновременно считываемых или записываемых битов информации);

- особенностями архитектуры памяти (быстрый страничный режим, конвейеризация доступа, чередование банков и т.д.).

Стоимость. Этот параметр сдерживает стремление увеличить информационную емкость памяти или повысить ее быстродействие.

Память современных вычислительных систем организована в виде многоуровневой иерархической структуры различных типов ЗУ, представленной на рис. 3.1.

Регистры характеризуются наименьшим временем доступа, располагаются ближе всего к исполнительному тракту процессора, т.к. задействованы в процессе интерпретации машинных команд на микроархитектурном уровне. Их немного (от 4-х 32-разрядных регистров до 64-х у 64-разрядной архитектуры), т.к. увеличение их числа на кристалле процессора может осуществляться только за счет сокращения аппаратных функциональных возможностей процессора.

Кэш-память – небольшая, но высокоскоростная память, предназначенная для хранения копий наиболее часто используемой информации из основной памяти. Кэш строится по многоуровневому принципу.

Кэш-память 1-го уровня – самая близкая к процессору (на кристалле) и самая быстрая. Она подразделяется на отдельные кэш-память команд и кэш-память данных, это позволяет независимо оперировать с обоими кэшами, что способствует увеличению пропускной способности памяти и применению индивидуальных технологий оперирования данными и командами.

Кэш-память 2-го уровня дальше от процессора. Его кристалл либо интегрирован в одном корпусе с кристаллом процессора и соединен с ним высокоскоростным трактом данных, работающем на частоте ядра. Либо объединенный кэш 2-го уровня команд и данных интегрирован прямо на кристалле процессора.

Кэш-память 3-го уровня – статическая память объемом в несколько Мбайтов, размещенная на плате процессора и имеющая время доступа значительно меньшее, чем основная динамическая память.

Последовательное копирование наиболее часто используемой информации из основной памяти в кэш-память при рациональной организации механизмов доступа к копируемым данным повышает производительность памяти в целом.

Основная (оперативная) память – адресуемая пользователем память с произвольным доступом (RAM – Random Access Memory), допускающая возможность записи и чтения любой ее ячейки в произвольном порядке. Она хранит исполняемую в текущий момент программу, связанные с ней данные, является средством оперативного обмена информацией между процессором, внешней памятью и периферийными устройствами. Требование – большая информационная емкость, увеличиваемая до предела физического адресного пространства процессора с учетом архитектурных и конструктивно-технологических особенностей платы процессора. Для обеспечения необходимой емкости формируется банк памяти (Bank). Это конструктивно-логическая единица, объединяющая в себе разъемы для подключения микросхем или модулей памяти. Работоспособным является только полностью заполненный банк, причем все микросхемы памяти в нем по типу и объему должны быть одинаковыми.

Необходимый объем оперативной памяти может набираться несколькими банками, причем с применением механизма чередования банков (bank interleaving). При чередовании банков смежные блоки данных располагаются поочередно в разных банках. Обычно применяют чередование 2-х или 3-х банков.

Энергонезависимая память хранит записанную информацию при отсутствии питающего напряжения от сети, а постоянная память не использует даже автономные источники питания. Основной режим работы – считывание данных. Применяется для хранения неизменяемой или редко изменяемой информации системного плана, требующей защиты от несанкционированного изменения. BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода) – самый нижний уровень ПО. Память конфигурации устройств компьютера, таблицы знакогенераторов графических адаптеров.

Специализированная память – последовательная полупроводниковая память, используемая контроллерами периферийных устройств. Это буферы памяти FIFO, LIFO, стековые, файловые  циклические ЗУ видеопамяти.

Внешняя память – самый отдаленный от процессора и самый объемный уровень памяти. Хранит большие объемы информации, реализуется на основе устройств с подвижными носителями информации (магнитные и оптические диски). Ее устройства оперируют блоками информации, а не байтами и словами, как оперативная память.