Физическая и логическая организация памяти вычислительных систем. Информатика и вычислительная техника

Классификация МКМД-систем

В МКМД-системе каждый процессорный элемент (ПЭ) выполняет свою про­грамму достаточно независимо от других ПЭ. В то же время процессорные элементы должны как-то взаимодействовать друг с другом. Различие в способе такого взаимодействия оп­ределяет условное деление МКМД-систем на ВС с общей памятью и системы с распределенной памятью (рис. 5.7).

В системах с общей памятью, которые характеризуют как сильно связанные, имеется общая память данных и команд, доступная всем процессорным элементам с помощью общей шины или сети соеди­нений. Такие системы называются мультипроцессорами. К этому типу относятся симметричные мультипроцессоры (UMA (SMP), Symmetric Multiprocessor), системы с неоднородным доступом к памяти (NUMA, Non-Uniform Memory Access) и системы, с так называемой, локальной памятью вместо кэш-памяти (COMA, Cache Only Memory Access).

Если все процессоры имеют равный доступ ко всем модулям памяти и всем устройствам ввода-вывода и каждый процессор взаимозаменяем с другими процессорами, то такая система называется SMP-системой. В системах с общей памятью все процессоры имеют равные возможности по доступу к единому адресному пространству. Единая память может быть построена как одноблочная или по модульному принципу, но обычно практикуется второй вариант.

SMP-системы относятся к архитектуре UMA. Вычислительные системы с общей памятью, где доступ любого процессора к памяти производится единообразно и занимает одинаковое время, называют системами с однородным доступом к памяти UMA (Uniform Memory Access).

С точки зрения уровней используемой памяти в архитектуре UMA рассматривают три варианта построения мультипроцессора:

Классическая (только с общей основной памятью);

С дополнительным локальным кэшем у каждого процессора;

С дополнительной локальной буферной памятью у каждого процессора (рис. 5.8).

С точки зрения способа взаимодействия процессоров с общими ресурсами (памятью и СВВ) в общем случае выделяют следующие виды архитектур UMA:

С общей шиной и временным разделением (7.9);

С координатным коммутатором;

На основе многоступенчатых сетей.

Использование только одной шины ограничивает размер мультипроцессора UMA до 16 или 32 процессоров. Чтобы получить больший размер, требуется другой тип коммуникационной сети. Самая простая схема соединения – координатный коммутатор (рис. 5.10). Координатные коммутаторы используются на протяжении многих десятилетий для соединения группы входящих линий с рядом выходящих линий произвольным образом.

Координатный коммутатор представляет собой неблокируемую сеть. Это значит, что процессор всегда будет связан с нужным блоком памяти, даже если какая-то линия или узел уже заняты. Более того, никакого предварительного планирования не требуется.

Координатные коммутаторы вполне применимы для систем средних размеров (рис. 5.11).

На основе коммутаторов 2x2 можно построить многоступенчатые сети. Один из возможных вариантов – сеть omega (рис. 5.12). Для n процессоров и n модулей памяти тредуется log 2 n ступеней, n/2 коммутаторов на каждую ступень, то есть всего (n/2)log 2 n коммутаторов на каждую ступень. Это намного лучше, чем n 2 узлов (точек пересечения), особенно для больших n.

Размер мультипроцессоров UMA с одной шиной обычно ограничивается до нескольких десятков процессоров, а для координатных мультипроцессоров или мультипроцессоров с коммутаторами требуется дорогое аппаратное обеспечение, и они ненамного больше по размеру. Чтобы получить более 100 процессоров, необходим иной доступ к памяти.

Для большей масштабируемости мультипроцессоров приспособлена архитектура с неоднородным доступом к памяти NUMA (NonUniform Memory Access). Как и мультипроцессоры UMA, они обеспечивают единое адресное пространство для всех процессоров, но, в отличие от машин UMA, доступ к локальным модулям памяти происходит быстрее, чем к удаленным.

В рамках концепции NUMA реализуется подходы, обозначаемые аббревиатурами NC-NUMA и CC-NUMA.

Если время доступа к удаленной памяти не скрыто (т.к. кэш-память отсутствует), то такая система называется NC-NUMA (No Caching NUMA – NUMA без кэширования) (рис. 5.13).

Если присутствуют согласованные КЭШи, то система называется CC-NUMA (Coherent Cache Non-Uniform Memory Architecture – NUMA с согласованной кэш-памятью) (7.14).

Многопроцессорность вычислительных систем приводит к проблеме одновременного доступа к памяти со стороны нескольких процессоров. В зависимости от того, каким образом организована память многопроцессорной системы, различают:

1. Вычислительные системы с общей памятью (shared memory) – Мультипроцессоры:

i. PVP (CrayT90)

ii. SMP(Intel SHV, SunFire, Dec8400 и т.д.)

i. COMA (KSR-1, DDM)

ii. CC-NUMA (Stanford Dash, Data General и т.д.)

iii. NCC-NUMA (Crag T3E)

2. Вычислительные системы с распределенной памятью (distributed memory) – Мультикомпьютеры:

ii. MPP – слабосвязанные системы (Intel TFLOPS)

Различие между общей и распределенной памятью – это разница в структуре виртуальной памяти, то есть в том, как эта память выглядит со стороны процессоров. Другими словами, общую память от распределенной отличает то, каким образом подсистема памяти интерпретирует поступивший от микропроцессора адрес ячейки (глобальный адрес или локальный адрес).

Физически почти вся память разделена на автономные компоненты, доступ к которым может производиться независимо.

Рассмотрим модели архитектур памяти ВС, которые будут верны как для класса множественный поток данных MIMD, так и для SIMD:

UMA - ВС с общей памятью, где доступ любого процессора к памяти производится единообразно и занимает одинаковое время. Системы с однородным доступом к памяти:

Mp – общая память

Pi – процессор

Общая шина

Особенности: в каждый момент времени обмен по шине, может вести только один из процессоров. Производительность падает с увеличением количества процессоров. Чаще всего от 4 до 8 процессоров в системе, максимальная производительность = 2. Систему нельзя отнести к отказоустойчивым, так как отказ одного модуля памяти или процессора может привести к отказу всей системы.

В данном классе архитектур существуют многопроцессорные системы с памятью, состоящей из нескольких модулей. Шина заменена коммутатором, который маршрутизирует запросы процессора к одному из нескольких модулей памяти. При чём все модули памяти входят в единое адресное пространство. Достоинство – можно обрабатывать несколько запросов.

NUMA – неоднородный доступ к памяти. Здесь различают несколько классов. Используется единое адресное пространство, но каждый процессор имеет локальную память (как правило, кэш). Доступ к ЛП осуществляется гораздо быстрее, чем доступ к удаленной памяти через сеть или коммутатор.

COMA – только с кэш. Локальная память каждого процессора построена как большая кэш. Кэши всех процессоров в совокупности представляют собой глобальную память системы. Данные не привязаны статически к определенному модулю памяти и не имеют уникального адреса. Данные переносится в кэш процессора, который последним их запросил.

Главный недостаток: очень сложное управление, ОС не участвует в процессе управления (все задачи возлагаются на аппаратуру).

CC-NUMA – модель кэш-когерентного доступа к неоднородной памяти. Используется не кэш, а обычная физически распределенная память. Не требуется какого-либо программного обеспечения для сохранения множества обновленных данных. С этим справляется аппаратный уровень.

NCC-NUMA – модель предполагает использование единого адресного пространства, но не обеспечивает согласованности глобальных данных на аппаратном уровне. Управление возлагается на ПО, это считается недостатком, но модель наиболее перспективная с точки зрения повышения производительности.

Мультикомпьютеры – блоки, из которых строится система, представляют собой с процессором и памятью.

NORMA – архитектура без прямого доступа к удаленной памяти.

P – процессор

M – локальная память

K0 и K1 – контроллер ввода/вывода

Блоки – процессорные элементы. Из них собирают системы.

Каждый процессор в такой системе может обратиться к удаленной памяти только путем обмена сообщениями с процессорами, которым принадлежит адресуемая память. Все ПЭ по отношению друг к другу рассматриваются как устройства ввода-вывода.

Для посылки сообщений в другой процессорный элемент процессор формирует блок данных в своей локальной памяти и извещает свой локальный контроллер о необходимости передачи информации на внешнее устройство. По сети меж соединений это сообщение пересылается на приёмный контроллер, тот находит место в своей локальной памяти и уведомляет свой процессор о том, что оно поступило, а так же процессор-источник о получении сообщения.

Достоинства – при доступе к данным не возникает конкуренция за шину или коммутатор. Раз отсутствует общая шина, то нет ограничений на количество процессоров. В гораздо меньшей степени стоит проблема достоверности кэш. Каждый процессор в праве менять свой кэш и не согласовать свои действия с другими.

Недостатки: У каждого процессорного элемента есть система прерываний. От этого сложность обмена информацией (время на пересылку и формирование сообщения, время на формирование запросов прерываний и их обработку).

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 = 2 10 байт; 1Мбайт = 2 20 байт; 1Гбайт = 2 30 байт и 1Тбайт = 2 40 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.

Основная память

Основная память - это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных непосредственно участвующих в операциях. Она имеет достаточное быстродействие, но ограниченный объем. Основная память делится на различные виды, основными из которых являются оперативная память (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (рис.1).

ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования.

ОЗУ служит для приема, хранения и выдачи информации. Именно в нем процессор «берет» программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Название «оперативная» это память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти и записи в память. Однако содержащие в ней данные сохраняются только пока компьютер включен. При выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается. Таким образом ОЗУ - энергозависимая память.

Рис. 1. Основные виды основной памяти

Часто для оперативной памяти используют обозначение RAM (random access memory, т.е. память с произвольным доступом). Под произвольным доступом понимают возможность непосредственного доступа к любой (произвольной) заданной ячейки памяти, причем время доступа для любой ячейки одинаково.

Основу ОЗУ составляют большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов (триггеров). Запоминающие элементы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов по тем каналам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти.

От количества установленной в компьютере оперативной памяти зависит не только возможность работать с ресурсоемкими программами, но и его производительность, поскольку при нехватке памяти в качестве ее логического расширения используется жесткий диск, время доступа к которому несравненно выше. Кроме объема ОП на производительность компьютера влияют также ее быстродействие и используемый способ обмена данными между микропроцессором и памятью.

ОП реализуется на микросхемах DRAM (динамическая ОП), характеризующейся по сравнению с другими разновидностями памяти низкой стоимостью и высокой удельной емкостью, но большим энергопотреблением и меньшим быстродействием. Каждый информационный байт (0 и 1) в DRAM хранится в виде заряда конденсатора. Из-за наличия токов утечки заряд конденсатора необходимо с определенной периодичностью обновлять. Из-за непрерывной потребности обновления такая память и называется динамической. Регенерация содержимого памяти требует дополнительного времени, а запись информации во время регенерации в память не допускается.

Стоимость оперативной памяти в последнее время резко упала (с лета 1995 до лета 1996 г. - более чем в 4 раза), поэтому большие запросы многих программ и операционных систем к оперативной памяти с финансовой точки зрения стали менее обременительны.

Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется стабильная сверхбыстродействующая КЭШ-память, которая располагается, как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных из КЭШ-памяти. Поскольку время доступа к КЭШ-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже хранятся в КЭШ-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. КЭШ-память реализуется на микросхеме SRAM (статическая ОП).

Для компьютеров на основе Intel-386DX или 80386SX размер КЭШ-памяти в 64 Кбайт является удовлетворительным, а 128 Кбайт вполне достаточным. Компьютеры на основе Intel-80486DX, DX2, DX4 и Pentium обычно оснащаются КЭШ-памятью емкостью 256 Кбайт.

Микропроцессоры серий 486 и Pentium содержат небольшую внутреннюю КЭШ-память, поэтому для однозначности терминологии иногда в технической литературе КЭШ-память, размещаемую на системной плате, называют КЭШ-памятью второго уровня.

В микропроцессоре Pentium Pro КЭШ-память второго уровня содержится в едином корпусе с самим процессором (можно сказать она встроена в микропроцессор).

Не обязательно иметь всю память, информация в которой должна меняться. Часть наиболее важной информации лучше постоянно хранить в памяти компьютера. Эту память называют постоянной. Данные в постоянную память занесены при ее изготовлении. Как правило, эти данные не могут быть изменены, выполняемые на компьютере программы могут только их считывать. Такой вид памяти обычно называют ROM (read only mеmory, или память только для чтения), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

В IBM PC - совместимом компьютере в постоянное памяти хранятся программы для проверки оборудования, компьютера, инициирования загрузки операционной системы (ОС) и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств компьютера. Поскольку большая часть этих программ связана с обслуживанием ввода-вывода, часто содержимое постоянной памяти называется BIOS (Basic Input - output System, или базовая система ввода -вывода).

Во многих компьютерах устанавливается BIOS на основе ФЛЕШ-памяти. Такая память может быть изменена программами, что позволяет обновлять BIOS с помощью специальных программ, без замены материнской платы или микросхемы BIOS.

Во всех компьютерах, кроме очень старых, в BIOS содержится также программа настройки конфигурации компьютера (SETUP). Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера (типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет, часть также режимы работы с оперативной памятью, запрос пароля при начальной загрузке и т.д.). Как правило, программа настройки конфигурации вызывается, если пользователь во время начальной загрузки нажмет определенную клавишу или комбинацию клавиш (чаще всего клавишу Del).

Емкость ФЛЕШ-памяти от 32 Кбайт до 2 Мбайт, время доступа по считыванию 0,06 мкс, время записи одного байта примерно 10 мкс; ФЛЕШ-память - энергонезависимое ЗУ.

Кроме обычной оперативной памяти и постоянной памяти, в компьютере имеется небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его часто называют CMOS-памятью, поскольку эта память обычно выполняется по технологии CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера, поскольку для ее электропитания используется специальный аккумулятор.

Таким образом, емкость основной памяти состоит из миллионов отдельных ячеек памяти емкостью 1 байт каждая. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит в пределах от 1 до 4 Гбайт. Емкость ОЗУ на один два порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает на новых системных платах до 2 Мбайт), остальное объем ОЗУ.

Если операционная система и аппаратное обеспечение могут эффективно работать с пользовательскими программами и данными, представленными модулями, то это обеспечивает ряд преимуществ.

1. 
   Модули могут быть созданы и скомпилированы независимо друг от друга, при этом все ссылки из одного модуля в другой разрешаются системой во время работы программы.
2. 
   Разные модули могут получать разные степени защиты (только чтение, только исполнение) за счет весьма умеренных накладных расходов.
3. 
   Возможно применение механизма, обеспечивающего совместное использование модулей разными процессами (для случая сотрудничества процессов в работе над одной задачей).

Перефразированный закон Паркинсона гласит: "Программы расширяются, стремясь заполнить весь объем памяти, доступный для их поддержки" (сказано это было об ОС). В идеале программисты хотели бы иметь неограниченную в размере и скорости память , которая была бы энергонезависимой, т.е. сохраняла свое содержимое при выключении электричества , а также недорого бы стоила. Однако реально пока такой памяти нет. В то же время на любом этапе развития технологии производства запоминающих устройств действуют следующие достаточно устойчивые соотношения:

• 
  чем меньше время доступа, тем дороже бит;
• 
  чем выше емкость, тем ниже стоимость бита;
• 
  чем выше емкость, тем больше время доступа.

• 
  снижается стоимость бита;
• 
  возрастает емкость;
• 
  возрастает время доступа;
• 
  снижается частота обращений процессора к памяти.

Рис. 6.1. Иерархия памяти

Предположим, процессор имеет доступ к памяти двух уровней. На первом уровне содержится Е 1 слов, и он характеризуется временем доступа Т 1 = 1 нс. К этому уровню процессор может обращаться непосредственно. Однако если требуется получить слово , находящееся на втором уровне, то его сначала нужно передать на первый уровень. При этом передается не только требуемое слово , а блок данных , содержащий это слово . Поскольку адреса, к которым обращается процессор , имеют тенденцию собираться в группы (циклы, подпрограммы), процессор обращается к небольшому повторяющемуся набору команд. Таким образом, работа процессора с вновь полученным блоком памяти будет проходить достаточно длительное время.

Обозначим через Т 2 = 10 нс время обращения ко второму уровню памяти, а через Р – отношение числа нахождений нужного слова в быстрой памяти к числу всех обращений. Пусть в нашем примере Р = 0,95 (т.е. 95% обращений приходится на быструю память , что вполне реально), тогда среднее время доступа к памяти можно записать так:

T ср = 0,95*1нс + 0,05* (1нс+10нс)=1,55нс

Этот принцип можно применять не только к памяти с двумя уровнями. Реально так и происходит. Объем оперативной памяти существенно сказывается на характере протекания вычислительного процесса, так как он ограничивает число одновременно выполняющихся программ, т.е. уровень мультипрограммирования. Если предположить , что процесс проводит часть р своего времени в ожидании завершения операции ввода-вывода, то степень загрузки Z центрального процессора (ЦП) в идеальном случае будет выражаться зависимостью

Z = 1 - p n , где n – число процессов.

На рис. 6.2 показана зависимость Z=p(n) для различного времени ожидания завершения операции ввода-вывода (20%, 50% и 80%) и числа процессов n. Большое количество задач, необходимое для высокой загрузки процессора, требует большого объема оперативной памяти. В условиях, когда для обеспечения приемлемого уровня мультипрограммирования имеющейся памяти недостаточно, был предложен метод организации вычислительного процесса, при котором образы некоторых процессов целиком или частично временно выгружаются на диск .

Очевидно, что имеет смысл временно выгружать неактивные процессы, находящиеся в ожидании каких-либо ресурсов, в том числе очередного кванта времени центрального процессора. К моменту, когда пройдет очередь выполнения выгруженного процесса, его образ возвращается с диска в оперативную память . Если при этом обнаруживается, что свободного места в оперативной памяти не хватает , то на диск выгружается другой процесс.

Такая подмена (виртуализация ) оперативной памяти дисковой памятью позволяет повысить уровень мультипрограммирования, поскольку объем оперативной памяти теперь не столь жестко ограничивает число одновременно выполняемых процессов. При этом суммарный объем оперативной памяти, занимаемой образами процессов, может существенно превосходить имеющийся объем оперативной памяти.

В данном случае в распоряжение прикладного программиста предоставляется виртуальная оперативная память , размер которой намного превосходит реальную память системы и ограничивается только возможностями адресации используемого процесса (в ПК на базе Pentium 2 32 = 4 Гбайт). Вообще виртуальным (кажущимся) называется ресурс , обладающий свойствами (в данном случае большой объем ОП), которых в действительности у него нет.

Виртуализация оперативной памяти осуществляется совокупностью аппаратных и программных средств вычислительной системы (схемами процессора и операционной системой) автоматически без участия программиста и не сказывается на логике работы приложения.

Виртуализация памяти возможна на основе двух возможных подходов:

• 
  свопинг (swapping) – образы процессов выгружаются на диск и возвращаются в оперативную память целиком;
• 
  виртуальная память (virtual memory ) – между оперативной памятью и диском перемещаются части образов (сегменты, страницы, блоки и т.п.) процессов.

• 
  избыточность перемещаемых данных и отсюда замедление работы системы и неэффективное использование памяти;
• 
  невозможность загрузить процесс, виртуальное пространство которого превышает имеющуюся в наличии свободную память.

Виртуальная память не имеет указанных недостатков, но ее ключевой проблемой является преобразование виртуальных адресов в физические (почему это проблема, будет ясно дальше, а пока можно отметить существенные затраты времени на этот процесс, если не принять специальных мер).

Концепция виртуальной памяти

В ВС с виртуальной памятью адресное пространство (АП) процесса (образ процесса) во время выполнения хранится во внешней памяти ЭВМ и загружается в реальную память по частям динамически по необходимости в любое свободное место РОП. Однако программа ничего не знает об этом , написана и выполняется так, как будто полностью находится в РОП.

Виртуальная память - это моделирование оперативной памяти во внешней памяти.

Механизм отображения виртуальных и реальных адресов устанавливает между ними соответствие и называется динамическим преобразованием адресов (ДПА).

Компьютер здесь уже выступает как логическое устройство, а не физическая машина с уникальными характеристиками. ДПА поддерживается на аппаратно-микропрограммном уровне. В МП Intel, начиная с 386 процессора, выполняется поддержка виртуальной памяти.

Такая процедура выполняется для EC ЭВМ - ряд 2 и выше, для СМ ЭВМ- 1700, для IBM PC – I386 и выше.

При управлении виртуальной памятью смежные виртуальные адреса не обязательно будут смежными реальными адресами (искусственная смежность). Программист освобождается от необходимости учитывать размещение своих процедур и данных в РОП. Он получает возможность писать программы наиболее естественным образом, прорабатывая лишь детали алгоритма и структуру программы, игнорируя конкретные особенности структуры аппаратных средств.

Механизм ДПА предполагает ведение таблиц, показывающих какие ячейки ВП в текущий момент времени находятся в РОП и где именно. Поскольку индивидуальное отображение элементов информации (пословное или побайтовое) не имеет смысла (так как под таблицы отображения адресов потребовалось бы РОП больше чем под процессы), то отображение адресов выполняется на уровне блоков ОП.

Рисунок 1 . Динамическое преобразование адресов

Проблема: какую часть процессов держать в ОП, в некоторые моменты времени, выталкивая одни участки РОП и размещая другие.

Еще один вопрос, который необходимо решать: Каким сделать размер блока ?

Увеличение размера блока приводит к уменьшению размера таблицы отображения блоков, но увеличивает время обмена и, наоборот, уменьшение размера блока приводит к увеличению таблиц и уменьшению времени обмена с внешней памятью.

Блоки могут быть фиксированного размера (страницы) и переменного размера (сегменты). В этой связи существует четыре способа организации виртуальной памяти:

1.Динамическая страничная организация.

2.Сегментная организация.

3.Комбинированная сегментно-страничная организация.

4.Двухуровневая страничная организация.

Виртуальные адреса в страничных и сегментных системах являются двухкомпонентными и представляют собой упорядоченную пару (p,d ), где p - номер блока (страницы либо сегмента), в которой размещается элемент, а d - смещение относительно начального адреса этого блока. Преобразование виртуального адреса V=(p,d ) в адрес реальной памяти r осуществляется следующим образом. При активизации очередного процесса в специальный регистр процессора загружается адрес таблицы отображения блоков данного процесса. В соответствии с номером блока p из таблице отображения блоков , считывается строка, в которой устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или делается отметка о том, что виртуальная страница выгружена на диск. Кроме того, в таблице страниц содержится управляющая информация, такая как признак модификации страницы, признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена), признак обращения к странице (используется для подсчета числа обращений за определенный период времени) и другие данные, формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти. К считанному физическому адресу размещения выбранного блока добавляется размер смещения d и вычисляется требуемый реальный адрес.

Рисунок 2. Преобразование виртуального адреса в реальной адрес памяти

Рассмотрим, в чем состоит стратегия управления виртуальной памятью? Аналогично управлению РОП для управления ВП имеется три категории стратегий, при имеющейся цели снизить ожидание страниц и располагать в РОП только используемые блоки.

Стратегия вталкивания , определяющая, когда следует переписать страницу или сегмент из внешней памяти в ОП.

а) вталкивание по запросу - система ожидает ссылки на страницу/сегмент от выполняющегося процесса (прерывание по отсутствию страницы);

аргументы за:

• 
  путь выполнения программы наверняка предсказать невозможно;
• 
  гарантия расположения в ОП только нужных страниц;
• 
  накладные расходы на определение требуемых страниц минимальны;

• 
  подкачка по одному блоку приводит к увеличению общего времени ожидания.

Достоинство: сокращается время ожидания.

В настоящее время быстродействие аппаратуры увеличивается , и неоптимальные решения не приводят к уменьшению эффективности вычислительных систем.

Стратегия размещения, определяющая, куда поместить поступающую страницу/сегмент. В страничных системах - тривиально: в любой свободный блок (страница имеет фиксированный размер). В сегментных системах те же самые стратегии, что и для реальной ОП (в первую подходящую область, в наиболее подходящую, в наименее подходящую).

Стратегия выталкивания (замещения), определяющая, какую страницу/сегмент удалить из ОП для освобождения места поступающей страницы.

Здесь основная проблема "пробуксовки ", при которой вытолкнутая страница в следующий момент должна вновь размещаться в РОП.

Рассмотрим процедуры определения блоков для выталкивания из ОП.

а) выталкивание случайной страницы - в реальных системах не применяется;

б) выталкивание первой пришедшей страницы (FIFO - очередь). Для ее реализации необходимо устанавливать временные метки страниц.

Аргумент : у страницы уже были возможности использовать свой шанс.

Фактически : большая вероятность заместить активно используемые страницы, поскольку нахождение страниц длительное время может означать, что она постоянно в работе. Например, используемый редактор текстов.

в) выталкивание дольше всего неиспользованных страниц.

Для реализации необходимо реализовать обновляемые временные метки. Эвристический аргумент : - недавнее прошлое - хороший ориентир на будущее.

Недостаток - существенные издержки: постоянное обновление временных меток.

г) выталкивание реже всего используемых страниц - предполагает наличие счетчиков страниц (менее интенсивно, нежели обновляемые временные метки). Интуитивно оправдано, но тоже может быть не рационально.

д) выталкивание не использующихся в последнее время страниц - самыйраспространенный алгоритм с малыми издержками. Реализуется двумя аппаратными битами на страницу:

1.признак обращения 0 - было

1 - не было.

2.признак модификации записи 0 - неизменен.

1 - изменен.

Возможны следующие варианты комбинаций { 00,10,01,11}. Если изменений на странице не было , то страницу можно просто переписать, а не сохранять на диске.