3. Иерархическая структура памяти.

Память часто называют «узким местом » фон-неймановских ВМ из-за её серьёзного отставания по быстродействию от процессоров. Производительность процессоров возрастает вдвое примерно каждые 1,5 года, для микросхем памяти прирост быстродействия не превышает 9% в год (удвоение за 10 лет), т.е. увеличение разрыва в быстродействии между процессором и памятью примерно на 50% в год.

При создании системы памяти постоянно приходится решать задачу обеспечения требуемой ёмкости и высокого быстродействия за приемлемую цену. Наиболее распространенным подходом является иерархический принцип.

Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения большого количества данных. Иерархическая память состоит из ЗУ различных типов (рис. 4.1). Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащим уровне и т.д. Четыре верхних уровня иерархии образуют внутреннюю память ВМ, а все нижние уровни – это внешняя или вторичная память. По мере движения вниз по иерархической структуре:

1. уменьшается соотношение «стоимость/бит»;

2. возрастает ёмкость;

3. растёт время доступа (меньшее быстродействие);

4. уменьшается частота обращения к памяти со стороны центрального процессора;

5. увеличивается надежностью хранения информации.

В основе большинства ВМ лежит трехуровневая организация памяти: сверхоперативная (СОЗУ), оперативная (ОЗУ), внешняя (ВЗУ). СОЗУ и ОЗУ могут непосредственно взаимодействовать с процессором, ВЗУ взаимодействует только с ОЗУ.

СОЗУ обладает максимальным быстродействием (равным процессорному), небольшим объемом (10¹ - 10⁵ байтов) и, как правило, располагается на одном кристалле с процессором. В СОЗУ размещаются наиболее часто используемые на данном участке программы данные (указатели адресов, промежуточные результаты вычислений), иногда – фрагменты программы.

Быстродействие ОЗУ может быть ниже процессорного (не более чем на порядок), объем - 10⁶ – 10⁹ байтов. В ОЗУ располагаются выполняемые программы и их данные. Связь между процессором и ОЗУ осуществляется по системной шине.

Информация, находящаяся в ВЗУ не может быть непосредственно использована процессором. Для использования программ и данных, расположенных в ВЗУ, их необходимо предварительно переписать в ОЗУ. Процесс обмена информацией между ВЗУ и ОЗУ осуществляется средствами специального канала, реже под управлением процессора. Объем ВЗУ практически неограничен, а быстродействие на 3- 6 порядков ниже процессорного.

Схематически взаимодействие между процессором и уровнями памяти представлено на рис. 4.2. Положение ЗУ в иерархии памяти ВМ определяется возможностью доступа процессора к данным, расположенным в ЗУ.

При организации памяти современных ВМ особое внимание уделяется сверхоперативной памяти и принципам обмена информацией между ОЗУ и ВЗУ.

2. Основная память.

   1. Классификация устройств основной памяти.

Основная память это единственный вид памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно. Информация, хранящаяся на внешних ЗУ, доступна процессору только после записи ее в основную память.

Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным доступом двух типов (рис.4.3): оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Такие ЗУ образованы как массив ячеек, произвольный доступ означает, что обращение к любой ячейки занимает одно и то же время и может производиться в произвольной последовательности. Каждая ячейка содержит фиксированное число запоминающих элементов и имеет уникальный адрес, позволяющий однозначно различать ячейки при обращении к ним.

Преимущественную долю основной памяти образует ОЗУ, называемое оперативным (RAM – Random Access Memory-память с произвольным доступом). Оно допускает запись и считывание информации. Логическая структура оперативной памяти достаточно определена. Первый мегабайт оперативной памяти имеет следующее распределение: в самом начале находятся таблица векторов прерываний (IVT), данные для BIOS или DOS, операционная система. Затем следует область памяти, используемая для пользовательских программ. Область памяти от 0 до 640 Кбайт называют стандартная базовая память или Base Memory (доступна DOS и программам реального времени). Область памяти от 640 Кбайт до 1 Мбайта (UMA – Upper Memory Area, верхняя область памяти) выделена для видеобуфера BIOS и других целей операционной системы. Область памяти от 1 Мбайта до 4 Гбайт – XMA (Extended Memory Area, область расширенной памяти) непосредственно доступна только в защищенном режиме. Область памяти в несколько килобайт выделена для постоянной памяти адресах до или после 1Мбайта.

Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессором различных программ. Постоянная память имеет собственное название – RОМ (Read Only Memory), которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память обладает тем преимуществом, что может сохранять информацию и при отключенном питании. Это свойство получило название энергонезависимости. Все микросхемы постоянной памяти по способу занесения в них информации (программированию) делятся на масочные (RОМ), программируемые изготовителем, однократно программируемые пользователем (Programmable RОМ) и многократно программируемые пользователем ЕРRОМ (Erasable PRОМ) и ЕEРRОМ. Последние, в свою очередь, подразделяются на стираемые электрически или с помощью ультрафиолетового облучения. К элементам ЕEРRОМ с электрическим стиранием информации относятся и микросхемы флэш-памяти (flash)..