Вопрос 17. Принцип иерархичности памяти. Устройства памяти.

Память ЭВМ должна иметь большую информационную емкость V, малое время обращения t (высокое быстродействие), высокую надежность и низкую стоимость. Но с увеличением емкости снижается быстродействие и растет стоимость. Деление памяти на ОЗУ и ВЗУ не снимает это противоречие полностью, так как различие в быстродействии процессора, ОЗУ и ВЗУ очень велико. Поэтому обмен информацией производится через дополнительные буферные устройства, то есть память ЭВМ имеет иерархическую многоуровневую структуру. Чем больше быстродействие ЗУ, тем выше стоимость хранения 1 байта, тем меньшую емкость имеет ЗУ.

На самом верху иерархии находятся регистры процессора. Доступ к регистрам осуществляется быстрее всего. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до нескольких мегабайтов. Затем следует основная память, которая в настоящее время может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Затем идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивов.

Вопрос 18. Оперативная и кэш память. Назначение и основные характеристики

Запоминающие устройства характеризуются двумя параметрами:

- объем памяти – размер в байтах, доступных для хранения информации;

- время доступа к ячейкам памяти – средний временной интервал, в течение которого находится требуемая ячейка памяти и из нее извлекаются данные.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; RAM – RandomAccessMemory) предназначено для оперативной записи, хранения и чтения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ЭВМ в текущий период времени. После выключения питания ЭВМ, информация в ОЗУ уничтожается, поэтому она не подходит для долговременного хранения информации. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, выраженный числом. В ЭВМ на базе процессоров IntelPentium используется 32-разрядная адресация. Это означает, что число независимых адресов равно 2³², то есть возможное адресное пространство составляет 4,3 Гбайт. Объем ОЗУ превышает 4096 Мбайт (2011 г.), время доступа 0,005-0,02 мкс. 1 с = 10⁶ мкс.

Общая классификация делит данное устройство на 2 типа памяти: SRAM (статическая) и DRAM (динамическая). Первая используется как кэш-память ЦП, второй отводится роль оперативной памяти ПК. Любая SRAM содержит триггеры, которые могут находиться в двух состояниях: "включено" и "выключено". Они включают в себя сложный процесс построения технологической цепи, ввиду чего занимают много места. Цена данного устройства будет значительно выше, нежели DRAM, в которой отсутствуют триггеры, но есть 1 транзистор и 1 конденсатор, из-за чего оперативная память получается компактней.

Кэш-память – это высокоскоростная память, которую использует процессор персонального компьютера для хранения часто запрашиваемой информации на протяжении определенного времени. Она качественно увеличивает производительность, поскольку “указывает” процессору, где именно искать нужную информации и как получить данные самым быстрым способом. Первой инстанцией, которая занимается доставкой информации к процессору персонального компьютера, выступает оперативная память. Тем не менее, хотя она в разы быстрее диска, она не всегда успевает за конкретными потребностями этой микросхемы. Именно поэтому данные, которые используются чаще остальных, переводят на второй уровень кэш. Что это такое? В данном случае память располагается на отдельной микросхеме с ультравысокой скоростью, которая помещается рядом с процессором, а в новых компьютерах и вообще интегрирована в сам чип. Информация, используемая чаще всего, например, одни и те же команды, перемещается в специальную ячейку процессора и являет собою кэш-память первого уровня. Это самая быстрая память в персональном компьютере. Как только процессору необходимо выполнить определенное задание, он первым делом анализирует свои данные в регистре. Если информации там нет, он обращается к кэш-памяти первого уровня, далее - к кэш второго уровня. Если там сведения тоже не обнаружены, процессор обращается к оперативной памяти. В конечном варианте, если нужные данные не были нигде найдены, микросхема считывает информацию с жесткого диска. Соответственно, чем раньше процессор найдет нужные данные, тем быстрее он выполнит поставленную перед ним задачу. Современные процессоры, оснащены кэшем, который состоит, зачастую из 2–ух или 3-ёх уровней. Кэш первого уровня (L1) – объём: несколько Кбайт (128 Кбайт) Кэш второго уровня (L2) – объём: нескольких сотен килобайт до нескольких мегабайт (1 Мб)Кэш третьего уровня (L3) – объём: от одного до нескольких мегабайт. (15 – 20 Мб)

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; ROM – ReadOnlyMemory) хранит неизменяемую (постоянную) информацию: программы, выполняемые во время загрузки системы, и постоянные параметры ЭВМ. В момент включения ЭВМ МП необходимы команды. Поэтому МП обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес из ПЗУ. Основное назначение программ из ПЗУ состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками. Обычно изменить информацию ПЗУ нельзя. Объем ПЗУ 128-256 Кбайт, время доступа 0,035-0,1 мкс. Так как объем ПЗУ небольшой, но время доступа больше, чем у ОЗУ, при запуске все содержимое ПЗУ считывается в специально выделенную область ОЗУ.

Вопрос 19. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Типы ВЗУ, принципы работы, основные характеристики.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения и транспортировки информации. ВЗУ взаимодействуют с системной шиной через контроллеры внешних запоминающих устройств (КВЗУ). КВЗУ обеспечивают интерфейс ВЗУ и системной шины в режиме прямого доступа к памяти, то есть без участия МП.

ВЗУ можно разделить по критерию транспортировки на переносные и стационарные. Рассмотрим три типа ВЗУ, разделенные по критерию физической основы или технологии производства носителя: 1) магнитные носители; 2) оптические носители; 3) флэш-память.

Магнитные носители основаны на свойстве материалов находиться в двух состояниях: «не намагничено»-«намагничено», кодирующие 0 и 1. По поверхности носителя перемещается головка, которая может считывать состояние или изменять его. Запись данных на магнитный носитель осуществляется следующим образом. При изменении силы тока, проходящего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля на поверхности магнитного носителя, и состояние ячейки меняется с «не намагничено» на «намагничено» или наоборот. Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частички ферро магнитного покрытия являются причиной появления электрического тока. Электромагнитные сигналы, которые возникают при этом, усиливаются и анализируются, и делается вывод о значении 0 или 1.