Какова главная функция иерархической структуры памяти. Иерархическая структура памяти вычислительных машин

Память ПК - это совокупность отдельных устройств, которые запоминают, хранят и выдают информацию. Отдельные устройства памяти называются запоминающими устройствами (ЗУ). Производительность ПК во многом зависит от состава и характеристик запоминающих устройств, которые в свою очередь различаются принципом действия и назначением. Основными операциями с памятью являются процедуры записи и считывания (выборки). Общее название указанных процедур носит название обращение к памяти. Основные характеристики памяти - это емкость и быстродействие (время обращение к памяти).

Емкость ЗУ измеряется в Байтах (1Байт = 8 Бит), Килобайтах (1 Кбайт= 2 10 Байт), Мегабайтах (1Мбайт= 2 10 Кбайт), Гигабайта (1Гбайт= 2 10 Мбайт), Терабайтах (1Тбайт= 2 10 Гбайт).

Быстродействие измеряется в секундах и в настоящее время находится в пределах от 10 - 2 до 10 - 9 секунд в зависимости от способа доступа к информации.

По способу доступа к хранящейся в них информации ЗУ делятся на: ЗУ с произвольным доступом; ЗУ с прямым доступом; ЗУ с последовательным доступом.

В ЗУ с произвольным доступом время обращения не зависит от места нахождения данных. Такое доступ реализован в регистрах общего назначения, КЭШ-памяти и внутренней памяти ПК.

Носитель информации в ЗУ с прямым доступом непрерывно вращается, в результате данные доступны через некоторый фиксированный промежуток времени. К ЗУ с прямым доступом относятся НЖМД, НМГД, НОД.

ЗУ с последовательным доступом , прежде чем найти необходимые данные, «просматривает» все предыдущие участки памяти. Последовательный доступ реализована в ЗУ, использующих магнитную ленту, например, в стримерах.

Следует отметить, что требования, предъявляемые к емкости и быстродействию ЗУ, являются взаимно противоречивыми с точки зрения технической реализации. Поэтому для эффективного функционирования в ПК память строится по иерархическому принципу, где на разных уровнях иерархии находятся ЗУ, обладающие различными характеристиками. Иерархическая структура памяти ПК представлена на рисунке 1.

При движении от 1-го до 3-го уровня иерархии быстродействие ЗУ уменьшается, а емкость увеличивается.

Иерархическая организация памяти позволяет повысить производительность ПК и предоставить пользователю практически неограниченную емкость памяти.

Назначение и основные характеристики ЗУ 1-го уровня были описаны в лекции 3 Рассмотрим 2-й и 3-й уровень иерархии памяти ПК.

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. Внешняя память содержит разнообразные виды ЗУ, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются НЖМД, НГМД и НОД. Указанные накопители предназначены для хранения больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.

НЖМД (HDD - hard disk drive) в обиходе называют «винчестером». В отличие от оперативной памяти, НЖМД гарантируют долговременное хранение информации, для чего не требуется постоянное питание компьютера от внешнего источника электроэнергии. Для записи данных в жестких дисках используется магнитный слой. Он покрывает диски, вращающиеся внутри винчестера с огромными скоростями. Вдоль дисков перемещаются головки чтения / записи. Основными характеристика современных НЖГД являются: емкость (до 1 Тбайт); количество пластин (до 5); количество головок (10 головок); среднее время поиска информации (меньше 10 мс); скорость вращения дисков (до 10 тыс. об/мин); вес (меньше 100 г.). Основными производителями НЖМД являются фирмы IBM, Seegate, Toshiba, Fujitsu, Samsung.

НГМД (FDD - floppy disk drive) представляет собой устройство чтения / записи сменных гибких дисков (флоппи-дисков, дискет ). Ранее применялись магнитные диски 2-х размеров: 5,25"" (133 мм) и 3,5» (89 мм). Первые давно исчезли, а 3,5"" используются только для переноса относительно небольших (1,44 Mбайт) объемов информации между компьютерами. Данные на гибких дисках хранятся подобно данным на винчестере за тем лишь исключением, что диск во флоппи-дисководе вращается с много меньшей скоростью и он всего один. Из-за недостаточной герметизации дискеты чаще всего выходят из строя. Таким образом, как носитель информации флоппи-диск крайне ненадежен и в настоящее время применяется все реже.

НОД являются в настоящее время самыми надежными и широко распространенными ЗУ внешней памяти. Считывание информации с оптического диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера.

НОД подразделяются на: CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) - компакт - диск только для чтения; CD-R (Compact Disc Recordable) - однократно записываемый компакт - диск; CD-RW (Compact Disc Rewritable) - перезаписываемый компакт-диск; DVD (Digital Versatile Disk) - универсальный цифровой диск.

Стандартный оптический диск имеет емкость порядка 650-800 Мбайт, емкость DVD диск достигает 17 Гбайт.

DVD диск имея те же габариты, что и обычный оптический компакт-диск, вмещает чрезвычайно много информации - от 4,7 до 17 Гбайт. В настоящее время DVD-диск применяется лишь в двух областях: для хранения видеофильмов (DVD-Video или просто DVD) и сверхбольших баз данных (DVD-ROM, DVD-R). В отличие от CD-ROM, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. Таким образом, односторонние однослойные диски имеют объем 4,7 Гбайт (их часто называют DVD-5, т.е. диски емкостью около 5 Гбайт), двусторонние однослойные - 9,4 Гбайт (DVD-10), односторонние двухслойные - 8,5 Гбайт (DVD-9), а двусторонние двухслойные - 17 Гбайт (DVD-18). В зависимости от объема требующих хранения данных и выбирается тип DVD-диска. Если речь идет о фильмах, то на двусторонних дисках часто хранят две версии одного и того же фильма - одна широкоэкранная, вторая в классическом телевизионном формате.

Архивная память ПК предназначена для длительного и надежного хранения программ и данных. Как видно из рисунка 2.3 хранить информацию можно на дискетах, оптических дисках, съемных НЖМД, магнитной ленте и флэш-памяти. Поскольку трое первых носителей информации описаны выше, а съемный НЖМД принципиально не отличается от обычного НЖМД, отметим основные свойства флэш-памяти.

Флэш-память представляет собой особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Это означает, что она не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи), допускает изменение (перезапись) хранимых в ней данных и не содержит механически движущихся частей (как обычные НЖМД или НОД) и построена на основе интегральных микросхем.

Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (несколько лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных НЖМД).

Основное преимущество флэш-памяти перед обычными накопителями состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В НЖМД, НГМД, НОД, кассетах и других механических носителях информации, бо льшая часть энергии тратится на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.

Размер носителя флэш-памяти составляет от 20 до 40 мм в длину, в ширину и толщина до 3 мм, емкость достигает 1Гбайт, в зависимости от типа флэш-памяти возможна перезапись информации от 10 тысяч до 1 млн раз.

Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя не только в ПК, но и в таких портативных устройствах, как цифровые фото- и видео-камеры, мобильные телефоны, портативные компьютеры, MP3-плейеры, цифровые диктофоны, и т.п. В ближайшие годы флэш-память будет самым применяемым компактным накопителем информации, постепенно вытесняя привычные дискеты.

ОРГАНИЗАЦИЯ памяти ЭВМ

В основе иерархии памяти современных компьютеров лежат два принципа:

Принцип локальности обращений;

Соотношение стоимость/производительность.

Локальность обращений подразделяется на пространственную и временную локальность. Пространственная локальность означает, что после обращения к некоторой ячейке памяти наиболее вероятно, что следующее обращение произойдет к одной из соседних (или близлежащих) ячеек. Временная локальность означает, что в ближайшее после обращения к ячейке памяти время с большой долей вероятности вновь потребуется содержимое этой ячейки.

Иерархия памяти современных компьютеров, представленная на рисунке 5.1, строится на нескольких уровнях, причем более высокий уровень меньше по объему, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на байт, чем более низкий уровень. Такой подход оптимизирует соотношение стоимость/производительность.

Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и так далее, пока мы не достигнем основания иерархии. Минимальная порция информации, которая может либо извлекаться, либо перемещаться между уровнями, называется блоком . Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.

Уровни памяти, расположенные между регистровой и основной памятью, принято называть кэш-памятью. Блок кэш-памяти называется строкой (line).

Хотя иерархия памяти состоит из многих уровней, но в каждый момент времени мы имеем дело только с двумя близлежащими уровнями. Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются соответственно попаданием (hit) или промахом (miss) . Попадание означает, что блок памяти найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне. При промахе происходит перемещение требуемого блока на более высокий уровень.

Доля попаданий (hit rate) или коэффициент попаданий (hit ratio) есть доля обращений, найденных на более высоком уровне (часто представляется процентами). Доля промахов (miss rate) есть доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.

Поскольку повышение производительности является главной причиной появления иерархии памяти, доля попаданий и промахов является важной характеристикой. Время обращения при попадании (hit time) есть время обращения к более высокому уровню иерархии, которое включает в себя, в частности, и время, необходимое для определения того, является ли обращение попаданием или промахом. Потери на промах (miss penalty) есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство (обычно в процессор). Потери на промах включают в себя две компоненты: время доступа (access time) – время обращения к первому слову блока при промахе, и время пересылки (transfer time) – дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней.

Чтобы описать некоторый уровень иерархии памяти надо ответить на следующие четыре вопроса:

1) Где может размещаться блок на верхнем уровне иерархии? (размещение блока).

2) Как найти блок, когда он находится на верхнем уровне? (идентификация блока).

3) Какой блок должен быть замещен в случае промаха? (замещение блоков).

4) Что происходит во время записи? (стратегия записи).

Видеопамять

Видеоадаптер использует часть системной памяти для хранения графической или символьной информации, выводимой на монитор. На некоторых платах видеоадаптеров, например VGA, содержатся собственные BIOS, которые размещаются в области системной памяти.

Дополнительная (extended) память

Как мы уже говорили в современных процессорах объем оперативной памяти может существенно превышать предел 1Мбайт, например для систем на базе Pentium II максимальный объем ОП составляет 64 Гбайт. Для адресации памяти за пределами первого мегабайта процессор должен работать в защищенном режиме..

Расширенная (expanded) память

В некоторых программах может использоваться еще одна разновидность памяти – расширенная память (Expanded Memory Specification). В отличии от основной (в пределах первого мегабайта) и дополнительной (от 2 до 16) памяти, расширенную память процессор адресовать не может. К ней можно обращаться только через небольшое окно размером 62 Кбайт, образуемое в области верхней памяти. EMS память используется только для хранения данных.

Постоянная память (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство) обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения программы. Она имеет также название ROM (Read Only Memory) которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память энергонезависима. Все микросхемы ПЗУ по способу занесения в них информации делятся на масочные, программируемые производителем – ROM, однократно программируемые пользователем - Programmable ROM, и многократно программируемые пользователем – Erasable Prom. Данный тип памяти используется для хранения программы начальной загрузки компьютера – BIOS.

Регистровая память процессора находится на кристалле процессора, тактируется его частотой и служит для организации сверхбыстродействующей памяти, работающей в формате команд регистр-регистр.

Внешняя память реализована, как правило, на магнитных и оптических носителях самого разнообразного вида и конструкций. ВП предназначена для хранения большого массива данных и обмена этими данными с ОЗУ, через кэш-память и посредством интерфейса или контроллера диска.

Память ЭВМ представляет собой иерархию запоминающих устройств (ЗУ), отличающихся средним временем доступа к данным, объемом и стоимостью хранения одного бита.

Объем Время Цена $/байт

Регистры процессора

Десятки байт ~ 0,01-1 нс 0.1-10

	Быстродействующая память (Cache на основе SRAM)

Сотни Кбайт - ~0,5-2 нс 0,1-0,5

Основная память - ОЗУ (на основе DRAM)

Мбайт

Тысячи ~2-20 нс 0,01-0,1

Внешняя память

Мегабайт

Сотни Десятки

Гигабайт мкс 0,001-0,01

	Internet

Рис. 7.1 Иерархия ЗУ

Очевидно, по мере продвижения по предложенной структуре сверху вниз, время доступа увеличивается от нескольких наносекунд у регистровой памяти до десятков микросекунд доступа к дискам. Увеличивается объем памяти (регистры в лучшем случае могут содержать 128 байт, а объем внешней памяти по существу не ограничен), а вот стоимость хранения данных в расчете на один бит уменьшается.

Иерархия памяти современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем более высокий уровень меньше по объему, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и так далее, пока мы не достигнем основания иерархии.

Иерархия памяти состоит из многих уровней, но в каждый момент времени мы имеем дело только с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется block или line. Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.

Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются соответственно попаданием (hit) или промахом (miss). Попадание - есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне. Доля попаданий (hit rate) или (hit ratio) есть доля обращений, найденных на более высоком уровне. Иногда она представляется процентами. Доля промахов (miss rate) есть доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.

Время обращения при попадании: hit time, потери на промахи miss penalty - это время на замещение блока высокого уровня блоком из более низкого уровня + время пересылки этого блока. Различают время пересылки (transfer time) и время доступа (access time).

Размер строки - line	4-128 байт
Hit time	1-4 такта
Miss Penalty	8-32 такта
Access time	6-10 тактов
Transfer time	2-22 такта
Miss rate	1-2 %

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Иерархия памяти
Рубрика (тематическая категория)	Компьютеры

Данная иерархия строится с позиций близости к ЦП, стоимости памяти и системной составляющей. Т. е. есть ЦП и элементами памяти в ЦП являются регистры общего назначения и КЭШ 1-го уровня . Следующий уровень- ϶ᴛᴏ уровень устройства, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ принято называть КЭШ 2-го уровня , ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ находится между ЦП и ОЗУ, ᴛ.ᴇ. обычно это устройство, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ быстрее ОП, но должна быть медленнее и дешевле КЭШа 1-го уровня, а также может обладать немножко большими размерами чем КЭШ 1-го уровня, соответственного схема работы с КЭШем 2-го уровня аналогично схеме работы с КЭШем 1-го уровня. по иерархии уровень после уровня ОЗУ - ϶ᴛᴏ уровень внешнего запоминающего устройство с внутренней КЭШ-буферизацией . Т.е. это устройства, аппаратное управление которых имеет КЭШ буферизации, ᴛ.ᴇ. это уже менее эффективно, чем ОП, но достаточно эффективно, потому что опять-таки за счёт внутреннего кэширования (при той же схеме кэширования, которая имеет место в схеме ЦП - ОЗУ), сокращается реальное количество обращений к устройству и тем самым получается существенное повышение производительности работы устройства. Следующий уровень - внешнее запоминающее устройство прямого доступа без КЭШ-буферизации . Это устройства существенно менее эффективные, но также предназначенные для оперативного доступа к данным, ᴛ.ᴇ. это устройства, которые обычно используются в программе для организации внешнего хранения и доступа за данными, соответственно по производительности они бывают разными, но для каких-то ситуаций категории этих двух устройств не принципиальны. Последним уровнем этой иерархии является уровень внешнего запоминающего устройства долговременного хранения данных . Т.е. это устройства, предназначенные для архивирования и долговременного хранения информации, к этим устройствам могут относиться и как устройства прямого доступа, и устройства последовательного доступа. Суть иерархии: на вершинœе находятся самые высоко скоростные, которые, в свою очередь являются также и самыми дорогими устройствами, но спускаясь вниз, мы получаем устройства менее дорогие, но обладающие более худшими показателями по скорости доступа, за счёт всœей системы предусматриваются достаточно большие элементы сглаживания дисбаланса в производительности каждого из типов этих устройств.

Иерархия памяти - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Иерархия памяти" 2017, 2018.

- Иерархия памяти, КЭШ-память.

Память является важнейшим ресурсом любой вычислительной системы. Логически всю память ВС можно представить в виде последовательности ячеек, каждая из которых имеет свой номер, называемый адресом.Память вычислительной системы представляет собой иерархию запоминающих... .

- Иерархия памяти

Все виды компьютерной памяти связаны между собой, образуя своеобразную иерархию. Из приведенной схемы можно заметить, что чем «выше по иерархии» рассматриваемая разновидность памяти, т. е. чем ближе она к процессору, тем меньше ее объем, но зато тем больше скорость ее... .

- Иерархия памяти ПК

Память ПК – это совокупность отдельных устройств, которые запоминают, хранят и выдают информацию. Отдельные устройства памяти называются запоминающими устройствами (ЗУ). Производительность ПК во многом зависит от состава и характеристик запоминающих устройств, которые...

Иерархия памяти (быстродействие и объём)

Построение дискового массива

При проектировании высокопроизводительных компьютеров и систем необходимо решить множество компромиссов, например, размеры и технологии для каждого уровня иерархии. Можно рассматривать набор различных памятей (m 1 ,m 2 ,…,m n), находящихся в иерархии, то есть каждый m i уровень является как бы подчиненным для m i-1 уровня иерархии. Для уменьшения времени ожидания на более высоких уровнях, низшие уровни могут подготавливать данные укрупненными частями с буферизацией и, по наполнению буфера, сигнализировать верхнему уровню о возможности получения данных.

Часто выделяют 4 основных (укрупнённых) уровня иерархии:

1. Внутренняя память процессора (регистры , организованные в регистровый файл и кэш процессора).
2. ОЗУ системы (RAM) и вспомогательных карт памяти.
3. Накопители с «горячим» доступом (On-line mass storage) - или вторичная компьютерная память. Жесткие диски и твердотельные накопители , не требующие длительных (секунды и больше) действий для начала получения данных.
4. Накопители, требующие переключения носителей (Off-line bulk storage) - или третичная память. Сюда относятся магнитные ленты , ленточные и дисковые библиотеки , требующие длительной перемотки либо механического (или ручного) переключения носителей информации.

В большинстве современных ПК используется следующая иерархия памяти:

1. Регистры процессора , организованные в регистровый файл - наиболее быстрый доступ (порядка 1 такта), но размером лишь в несколько сотен или, редко, тысяч байт.
2. Кэш процессора 1го уровня (L1) - время доступа порядка нескольких тактов, размером в десятки килобайт
3. Кэш процессора 2го уровня (L2) - большее время доступа (от 2 до 10 раз медленнее L1), около полумегабайта или более
4. Кэш процессора 3го уровня (L3) - время доступа около сотни тактов, размером в несколько мегабайт (в массовых процессорах используется недавно)
5. ОЗУ системы - время доступа от сотен до, возможно, тысячи тактов, но огромные размеры в несколько гигабайт, вплоть до сотен. Время доступа к ОЗУ может варьироваться для разных его частей в случае комплексов класса NUMA (с неоднородным доступом в память)
6. Дисковое хранилище - многие миллионы тактов, если данные не были закэшированны или забуферизованны заранее, размеры до нескольких терабайт
7. Третичная память - задержки до нескольких секунд или минут, но практически неограниченные объёмы (