Организация памяти в вычислительных машинах

Назначение, основные параметры и

Классификация видов памяти

Устройства памяти (запоминающие устройства) ВМ предназначены для записи, хранения и считывания информации, представленной в цифровой форме /2, 3/. Устройства памяти, как и процессоры, оперируют с двумя видами информации – программами и данными, поэтому характеристики памяти во многом определяют производительность и функциональные возможности ВМ.

Устройства памяти работают в двух режимах – обращения к памяти и хранения. В режиме обращения в память осуществляется запись информации или производится чтение информации из памяти. Если к памяти не обращаются, она переходит режим хранения.

Основными параметрами, характеризующими устройства памяти, являются информационная емкость (объем), быстродействие, энергопотребление и стоимость /2, 5, 8/.

Информационная емкость (объем) устройства памяти определяется максимальным количеством хранимой информации и измеряется в байтах, Кбайтах, Мбайтах, Гбайтах и Тбайтах.

1 Кбайт = 2¹⁰ байт; 1Мбайт = 2²⁰ байт; 1Гбайт = 2³⁰ байт и 1Тбайт = 2⁴⁰ байт.

Быстродействие памяти характеризуется следующими основными параметрами:

временем выборки (доступа) t_В, определяемым временным интервалом между моментами подачи сигнала выборки (начала цикла чтения) и получением считанных данных на выходе памяти;

длительностью цикла обращения t_Ц, который определяется минимально допустимым временным интервалом между следующими друг за другом обращениями к памяти. Учитывая, что под обращением к памяти понимается запись или чтение, иногда разделяют длительность цикла чтения t_{Ц.ЧТ .} и длительность цикла записи t_Ц.ЗП. для видов памяти, у которых эти длительности циклов различны, т.е. t_Ц.ЧТ.≠ t_{Ц.ЗП .}

В общем случае цикл обращения состоит из фазы выборки (доступа) и фазы регенерации (восстановления) памяти, поэтому t_Ц > t_В.

Быстродействие памяти можно также характеризовать скоростью передачи записываемых или считываемых данных и измерять в Мбайтах/сек.

Энергопотребление для многих видов памяти в режиме обращения существенно выше, чем в режиме хранения. Энергонезависимая память в режиме хранения вообще не потребляет электроэнергию. Но ряд видов памяти, например, электронная динамическая, в режиме хранения требуют циклов регенерации, поэтому энергопотребление в этом режиме сопоставимо с энергопотреблением в режиме обращения.

Для сравнения разных видов памяти удобно использовать приведенные к одной ячейке (т.е. удельные) энергопотребление и стоимость устройств памяти.

Важным параметром памяти является также разрядность шины данных памяти, определяющая количество байт, с которыми операция чтения или записи может выполняться одновременно.

Устройства памяти ВМ можно классифицировать по различным признакам: по физическому принципу работы, по функциональному назначению, по способу организации, необходимости электропитания в режиме хранения и т.д.

По физическому принципу работы память классифицируется на электронную, магнитную, оптическую, магнитно – оптическую.

Электронная память выполняется на полупроводниковых элементах и реализуется в виде БИС. Электронная память разделяется на статическую и динамическую.

В БИС статической памяти в качестве элементарных ячеек памяти применяются статические триггеры на биполярных или полевых транзисторах. Как известно, число устойчивых состояний триггера равно двум, что позволяет использовать его для хранения единицы информации – бита. Ячейки памяти для хранения байт и слов используют соответственно 8 и 16 триггеров.

В БИС динамической памяти в качестве элементарных ячеек памяти применяются электрические конденсаторы. Наличие заряда соответствует хранению логической «1», отсутствие заряда – хранению логического «0». В качестве запоминающих конденсаторов используются либо межэлектродные емкости МОП транзисторов, либо специально созданные в кристалле БИС МОП конденсаторы. Фрагмент структурной схемы динамической памяти, содержащий две ячейки 1 и 2, изображен на рис.6.1.

Каждая элементарная ячейка памяти содержит запоминающий МОП конденсатор С (десятые доли пФ) и транзисторный ключ Т, подключающий этот конденсатор к шине данных. Затвор транзисторного МОП – ключа соединен с соответствующим выходом дешифратора адреса. При выборе ячейки ключ Т открывается и подключает конденсатор С к шине данных. Далее, в зависимости от вида команды: запись (WR) или чтение (RD) - через соответствующий усилитель производится запись входных данных (DI) или чтение выходных данных (DO).

Динамическая память по сравнению со статической существенно проще, дешевле и обеспечивает очень высокую степень интеграции, т.е. более высокую удельную емкость. Но по сравнению со статической динамическая память обладает меньшим быстродействием и требует периодической регенерации (восстановления) информации в элементарных ячейках. Другими словами, необходимо периодически восстанавливать заряд на запоминающих конденсаторах С, которые с течением времени саморазряжаются, т.е. «теряют» информацию. Для этого через каждые несколько миллисекунд (mсек) производятчтение информации из ячеек памяти и затем повторную запись информации, что позволяет восстанавливать заряд на запоминающих конденсаторах C. Необходимость организации периодических циклов регенерации (Refresh Cycles) несколько усложняет управление динамической памятью.

Для типовых модулей электронной памяти время выборки t_В составляет единицы – десятки наносекунд (nсек), а информационная емкость – десятки – сотни Мбайт.

Статическая и динамическая электронная память является энергозависимой, т.е. при отключении электропитания информация в ячейках не сохраняется. Существует также энергонезависимая электронная память – постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), информация из которых в процессе работы ВМ может только считываться. Ячейки памяти ПЗУ будут рассмотрены ниже.

Магнитная память основана на наличии у ряда магнитных материалов (например, окиси железа) двух устойчивых состояний остаточного намагничивания противоположного знака. Такие магнитные материалы характеризуются прямоугольной петлей гистерезиса B = f(H), и из них выполняется рабочий магнитный слой, наносимый на поверхность различных подвижных носителей – магнитных дисков. Для записи и чтения информации используются магнитные головки, представляющие собой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитном сердечнике с зазором. При записи магнитная головка намагничивает участок магнитного слоя, проходящий под рабочим зазором, в направлении, определяемом направлением протекающего тока. При считывании намагниченные участки поверхности проходят около индуктивной головки считывания и наводят в ней импульсы э.д.с. Устройства памяти, использующие этот принцип, имеют очень низкую удельную стоимость хранения информации, являются энергонезависимыми, но, являясь электромеханическими, по быстродействию, надежности и энергопотреблению существенно уступают электронной памяти. Для НЖМД скорость передачи данных достигает десятков Мбайт/сек, а информационная емкость – сотен Гбайт.

В оптической памяти для хранения информации используется изменение оптических свойств (в основном, степени отражения) поверхности носителя. Оптический носитель выполняется в виде диска (Compact Disk - CD), отражающий слой (металлическое напыление) которого покрыт слоем органического красителя. При записи луч лазера модулируется потоком записываемых бит и в определенных местах дорожки выжигает ямки в слое красителя. За счет разницы коэффициента отражения ямок и невыжженных участков поверхности при считывании возникает модуляция яркости отраженного луча, которая кодирует считываемую с CD информацию. Производятся различные типы оптических CD дисков: CD-ROM (Read Only Memory) – позволяющие только считывать записанную матричным способом информацию, CD-R (Recordable) – допускающие хотя бы однократную запись на диск и многократное считывание, CD-RW (ReWritable) – позволяющие многократную перезапись на диск (и конечно же, считывание). Оптические диски дешевы и имеют значительную (до одного Гбайта) информационную емкость, являются энергонезависимыми и легко сменяемыми, но по быстродействию, надежности и энергопотреблению, как и магнитные диски, существенно уступают электронной памяти.

По функциональному назначению устройства памяти можно классифицировать на сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ), оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

ОЗУ предназначено для хранения программ (системных, прикладных) и данных, непосредственно используемых ЦП в текущее время. Длительности циклов чтения и записи для оперативной памяти, как правило, одинаковы. Обычно в качестве ОЗУ применяется динамическая память объемом до единиц Гбайт в зависимости от назначения и области применения МС.

СОЗУ или кэш-память (Cache Memory) – это небольшого объема быстродействующая память, у которой длительность цикла обращения t_Ц. меньше длительности машинного цикла процессора. Поэтому при обращении к кэш-памяти не требуется вводить такты ожидания процессора в машинные циклы обращения к памяти. Кэш-память является буферной памятью между ОЗУ и ЦП и выполняется на базе статической памяти. Кэш хранит копии блоков (страниц) программ и данных тех областей ОЗУ, к которым происходили последние обращения, а также каталог – список их текущего соответствия областям ОЗУ. При каждом обращении к оперативной памяти контроллер кэш-памяти по каталогу проверяет, есть ли действительная копия затребованного блока (страницы) в кэш. Если копия там есть, то это случай кэш-попадания, и обращение за данными или кодом происходит только к кэш-памяти. Если действительной копии там нет, то это случай кэш-промаха, и в кэш записывается требуемый блок (страница) из ОЗУ, причем запись производится на место предварительно удаленного из кэш в ОЗУ наименее актуального блока (страницы), т.е. блока информации, число обращений к которому было наименьшим. За счет присущих программам и данным таких фундаментальных свойств, как пространственная и временная локальности /2, 7, 13/ число кэш-попаданий во много раз превышает число кэш-промахов даже при небольших (единицы – десятки Кбайт) объемах кэш памяти. Поэтому использование кэш-памяти значительно повышает производительность ВМ. Обычно кэш реализуется по трехуровневой схеме: первичный кэш (L1 Cache), объемом десятки Кбайт, и вторичный кэш (L2 Cache), объемом сотни Кбайт, размещается в кристалле МП, кэш третьего уровня (L3 Cache), единицы Мбайт устанавливают на системной плате или в корпусе МП.

ПЗУ – это электронная энергонезависимая память, которая применяется для хранения неизменяемой или редко изменяемой в течении времени эксплуатации ВМ информации: системного ПО (BIOS), прикладного ПО для встраиваемых и бортовых ВМ, наборов таблиц, параметров конфигурации различных систем и т.п. Основным режимом работы ПЗУ является чтение, что и обуславливает другое общее название такой памяти ROM (Read Only Memory). Запись информации в ПЗУ, называемая программированием, обычно существенно сложнее, требует больших затрат времени и энергии, чем чтение.

ВЗУ предназначены для энергонезависимого хранения больших объемов определенным образом структурированной информации: файлов, баз данных, архивов. Характерной особенностью внешней памяти является то, что ее устройства оперируют блоками информации, а не байтами или словами, как это позволяет оперативная память. Кроме того, процессор может осуществлять доступ к ВЗУ только через оперативную память. В качестве ВЗУ обычно используется дисковые (НЖМД, CD) накопители, позволяющие хранить сотни Гбайт информации.

Буферная электронная память включается в состав контроллеров различных внешних устройств, решающих задачи отображения и ввода информации, задачи коммуникации, преобразования сигналов и т.п. Наличие буферной памяти позволяет согласовать существенно различные скорости передачи информации системной шины и внешних устройств, сократить время использования каждым из внешних устройств системной шины и увеличить производительность ВМ.

Способ организации памяти определяется методом размещения и поиска информации в ЗУ. По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую организацию памяти.

В адресной памяти для обращения к ячейкам памяти используются их адреса, под которыми понимаются коды номеров ячеек памяти. Адресная организация памяти позволяет обращаться к ячейкам памяти по их адресам в произвольном порядке, причем длительность цикла обращения является одинаковой для всех ячеек независимо от адреса. Поэтому для названия такой память также используется термин «запоминающие устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ)» или RAM (Random Access Memory). Адресную организацию памяти имеют, например, ОЗУ и ПЗУ.

В ассоциативной памяти (АЗУ) поиск информации производится не по адресам ячеек памяти, а по их содержимому или его части. В общем случае запрос к ассоциативной памяти осуществляется заданием перечня разрядов, по которым следует производить поиск ячейки памяти, и заданием содержания выделенных разрядов. Перечень разрядов для поиска задается в регистре-маске. Этот регистр имеет такую же разрядность, как и ячейка памяти АЗУ, и содержит единицы только в тех разрядах, по которым ведется поиск. В регистре-контексте задается содержание этих разрядов, и его разрядность равна разрядности регистра-маски.

Если ячейка с заданной комбинацией нулей и единиц находится, АЗУ формирует положительный ответ с указанием адреса найденной ячейки. Далее адрес передается в дешифратор адреса, и все содержимое такой ячейки можно считать или записать в нее новое содержимое. В противном случае АЗУ формирует отрицательный ответ на запрос.

Поиск информации по контексту в АЗУ осуществляется одновременно по всем ячейкам памяти, поэтому АЗУ во много раз быстрее ЗУПВ, но и стоят значительно дороже. В современных вычислительных системах АЗУ применяются, например, в составе кэш-памяти.

Стековая память (Stack), так же как и ассоциативная является безадресной. Стек можно рассматривать как совокупность ячеек, образующих одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. В этой памяти запись и чтение производятся по правилу «последнее записанное считывается первым» или «Last Input First Output (LIFO)». Поэтому стек называют «магазинной» памятью с обратным порядком считывания. Обычно стек организуют в оперативной памяти. Количество слов в стеке определяется регистром-указателем стека SP, а запись в стек и чтение из него производится соответственно командами PUSH и POP. Широкое применение стековая память находит, как уже было рассмотрено выше, при обработке прерываний и вызове подпрограмм.

Наряду со стековой памятью большое распространение получила «магазинная» память с прямым порядком считывания, т.е. «первое записанное считывается первым» или «First Input First Output (FIFO)». Эта память называется буферной и, как и стек, организуется в ОЗУ.