Иерархия устройств памяти. Иерархическая организация памяти эвм. Иерархическая организация памяти

Память в современных компьютерах строится по иерархическому принципу. Одним из явлений, характерных для фоннеймановских ЭВМ является принцип локальности. Это означает, что за ограниченный промежуток времени каждая выполняемая программа не производит обращений ко всем своим данным и командам равномерно, а склонна обращаться к ограниченной части своего адресного пространства. Например, такая ситуация возникает в научных и инженерных расчетах при решении уравнений, когда выполняются небольшие участки кода, содержащие большое число вложенных циклов и подпрограмм и с их помощью обрабатываются все новые и новые относительно небольшие порции данных с частым обращением к промежуточным результатам. Из этого следует, что для увеличения производительности без существенного увеличения стоимости можно строить память по иерархическому принципу. При этом существует несколько уровней иерархии памяти с различным объемом и временем обращения. Информация распределена по ним для хранения в соответствии с ее важностью, частотой обращения и «срочностью» обслуживания. Каждый уровень иерархии характеризуется определенной стоимостью хранения одного байта (слова) и скоростью выборки байта (слова) или блока из нескольких байтов (слов).

Обычно рассматривается взаимодействие внутри иерархии памяти между двумя соседними уровнями.

Минимальную единицу информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать на одном из двух взаимодействующих уровней в иерархии, мы будем называть блоком. Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.

При обращении к каждому уровню иерархии возможны два исхода. Либо искомый блок находится на запрашиваемом уровне (попадание – hit) либо он отсутствует (промах – miss) и приходится обращаться к следующему уровню иерархии, обладающему меньшей скоростью выборки. Эффективность механизма хранения данных можно описать долей попаданий (hit rate). Механизм организации каждого уровня иерархии должен обеспечивать возможность размещения любого блока из более низкого уровня иерархии. Отсюда – необходим некий ассоциативный механизм отображения блока из нижележащего уровня иерархии на вышележащий.

Иерархия памяти в ЭВМ показана на рис. 17. Емкость памяти растет сверху вниз на рисунке, стоимость хранения байта (слова) и скорость выборки байта (слова) растет снизу вверх.

Самый верхний уровень иерархии – регистровая память. Емкость регистровой памяти обычно не превышает нескольких десятков (иногда сотен) байт или слов. Физически регистровая память расположена непосредственно в центральном процессоре, поэтому время обращения к памяти минимально и не превышает длительности 1 такта процессора. В регистровой памяти, как ранее уже отмечалось, хранятся наиболее оперативные данные, такие как адреса обрабатываемых в текущий момент ячеек памяти, счетчики циклов, операнды выполняемых в текущий момент арифметических операций.

Массовая оперативная память имеет объем от нескольких десятков килобайт до нескольких сотен мегабайт. В силу ряда технологических особенностей скорость обращения к оперативной памяти растет значительно медленнее, чем скорость работы центральных процессоров и обычно время выборки составляет от 5 до 15 тактов процессора. Для ускорения выборки информации между основной памятью и центральным процессором вводится еще один уровень иерархии – промежуточная, сверхоперативная память или кэш память. Слово cache в переводе с английского яыка означает тайник, тайный склад, потаенный запас. Смысл этого термина состоит в том, что кэш-память невидима, прозрачна для центрального процессора. Работой кэш-памяти управляет контроллер кэш-памяти. Он просматривает обращения центрального процессора к основной памяти и определяет хранятся ли требуемые данные в кэше (cache hit) и,следовательно, могут быть прочитаны из него, или нет (cache miss), и следовательно, придется производить обращение к более медленной основной памяти. Скорость доступа к ячейке кэш-памяти может составлять от 3 до 7 тактов процессора. Кэш-память в свою очередь сама может быть реализована по иерархическому принципу, т.е. может быть разделена на несколько уровней:

· кэш первого уровня, объемом несколько килобайт со временем доступа 2-3 такта, встроенный непосредственно в процессор;

· кэш второго уровня со временем доступа 3-5 тактов и объемом несколько десятков килобайт, расположенный на одной плате с центральным процессором;

· кэш третьего уровня со временем доступа 5-7 тактов и объемом несколько сотен килобайт на системной плате и так далее.

Ниже в этом разделе мы вернемся обсуждению кэш-памяти и рассмотрим ее функционирование подробнее.

Самый нижний уровень иерархии памяти – внешняя память большого объема. Ее объем на несколько порядков больше, чем емкость основной оперативной памяти. Процессор не имеет возможности оперативного доступа данным, расположенным во внешней памяти, и, для обработки, их необходимо пересыоать в основную память. Оперативная память и внешняя память вместе образуют так называемую виртуальную память.

Короткая история вычислительной техники и создания программного обеспечения позволила разработчикам ЭВМ сделать один важный вывод: имеющейся на ЭВМ физической памяти всегда мало для удовлетворения потребностей программиста . Снабжать ЭВМ оперативной памятью огромного размера невыгодно из экономических соображений. Осознание этого факта привело к идее организации виртуальной памяти . Виртуальным называют абстрактный ресурс, который на самом деле физически не существует, но моделируется с помощью имеющихся технических средств.

В системе с виртуальной памятью программы «считают», что им предоставлено некоторое, достаточно большое адресное пространство (пространство, предоставленное программе или группе программ, может существенно превышать объем физической памяти, имеющейся в ЭВМ). При этом рабочее пространство разделяется на блоки – страницы (типичный размер страницы 2–4 Кбайта). Страницы, относящиеся к выполняемой задаче, частично располагаются в быстродействующей памяти, частично на некотором, более медленном и более дешевом запоминающем устройстве. Устройство управления виртуальной памяти отслеживает обращения к памяти, и, если требуемая страница отсутствует в физической памяти, происходит прерывание. Обработчик прерывания производит обращение к внешнему устройству для считывания отсутствующей страницы, после чего выполнение команды, вызвавшей прерывание, повторяется снова. Таким образом, прикладная программа “не замечает”, что ее страница отсутствовала в памяти. Естественно, что из-за необходимости периодических обращений к внешней памяти за отсутствующими страницами скорость выполнения программы снижается. Это снижение скорости есть “необходимое зло” - плата за большой размер доступного адресного пространства. Разработчики процессоров с виртуальной адресацией предусматривают различные средства максимального снижения эффекта замедления.

Системы виртуальной памяти можно разделить на два класса: системы с фиксированным размером блоков, называемых страницами, и системы с переменным размером блоков, называемых сегментами. Ниже рассмотрены оба типа организации виртуальной памяти.

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 (

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.

получать необходимый результат отКИТ за меньшие затраты означает то, что компании будут делать инвестиции в более дешевые технологии

повышение роли азиатского рынка происходит в основном за счет рынков Китая и Индии. На долю этих двух стран приходится 65 % азиатского рынка В настоящее время Китай стремиться к технологическому лидерству, Китай становится вторым по величине рынком высокотехнологического оборудования

объединение производителей КИТ происходит как следствие усложнения производственных технологий, увеличения стоимости заводов, которые становятся «не по карману» отдельным производителям.

увеличение значимости домашних рынков связано с автоматизацией процессов ведения домашнего хозяйства.

увеличение рынка мобильных технологий означает значительное увеличение пользователей ноутбками и мобильной телефонной связью.

повышение роли сервис – провайдера обусловлено стремительным развитием сетей, как локальных, так и Интернет. В том случае становится более выгодно не создавать свой собственный информационный ресурс, а запрашивать его у сервис- провайдера.

Информационная система (ИС) - взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.Открытые и закрытые системы. Существует два основных типа сис­тем: закрытые и открытые. Закрытая система имеет жесткие фиксирован­ные границы, ее действия относительно независимы от среды, окружаю­щей систему. Открытая система характеризуется взаимодействием с внешней средой. Энергия, информа­ция, материалы - это объекты обмена с внешней средой через проницае­мые границы системы.По характеру использования информации информационные системы можно разделить на информационно-поисковые и информационно-решающие системы. Можно выделить два подкласса: управляющие и советующие.По характеру обрабатываемых данных выделяют информационно-справочные системы (ИСС) и системы обработки данных (СОД) . ИСС выполняют поиск информации без ее обработки. СОД осуществляют как поиск, так и обработку информации.По признаку структурированности задач ИС на ИС дляструктурированных (формализованных), неструктурированных (неформализованных), частично структурированных .

Структурное обеспечение ИС. ИС имеют сложную структуру, используют ресурсы нескольких категорий, состоит из отдельных частей, называемых подсистемами. Подсистема - это часть системы, выделенная по какому-либо признаку.Общую структуру информационной системы можно рассматривать как совокупность подсистем независимо от сферы применения. В этом случае говорят о структурном признаке классификации, а подсистемы называют обеспечивающими. Подсистемы осуществляют обеспечение: техническое, математическое, информационное, программное, лингвистическое, организационное, правовое, и эргонометрическое. Техническое обеспечение - комплекс технических средств, предназначенных для работы информационной системы, а также соответствующая документация на эти средства и технологические процессы.Комплекс технических средств составляют: компьютеры любых моделей; устройства сбора, накопления и вывода информации; сетевые устройства и др. Математическое и программное обеспечение - совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ для реализации целей и задач информационной системы, а также нормального функционирования комплекса технических средств. К средствам математического обеспечения относятся: средства моделирования процессов управления; типовые задачи управления; методы математического программирования, математической статистики и др. В состав программного обеспечения входят: системное программное обеспечение;прикладное программное обеспечение; Инструментальное обеспечение. Информационное обеспечение - совокупность единой системы классификации и кодирования информации, унифицированных систем документации, схем информационных потоков, циркулирующих в организации, а также методология построения баз данных. К лингвистическому обеспечению ИС относится естественные и искусственные языки, а также средства их лингвистической поддержки: словари лексики естественных языков, тезаурусы (специальные словари основных понятий языка, обозначаемых отдельными словами или словосочетаниями) предметной области, переводные словари и др. Организационное обеспечение - совокупность методов и средств, регламентирующих взаимодействие работников с техническими средствами и между собой в процессе разработки и эксплуатации информационной системы. Организационное обеспечение реализует следующие функции: анализ существующей системы управления организацией, где будет использоваться ИС, и выявление задач, подлежащих автоматизации и др. Правовое обеспечение - совокупность правовых норм, определяющих создание, юридический статус и функционирование ИС, регламентирующих порядок получения, преобразования и использования информации.Эргонометрическое обеспечение Эргономика - научно-прикладная дисциплина, занимающаяся изучением и созданием эффективных систем, управляемых человеком.

4. Иерархия памяти персонального компьютера

Иерархия памяти -термин, используемый в вычислительной технике при проектировании и программировании ЭВМ. Означает, что различные виды памяти образуют иерархию, на различных уровнях которой расположены памяти с отличающимися временем доступа, сложностью, стоимостью и объемом. Возможность построения иерархии памяти вызвана тем, что большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещен в более быструю, но дорогую и поэтому небольшую, память. Часто выделяют 4 основных уровня иерархии: 1) Внутренняя память процессора (регистры, организованные в регистровый файл и кэш процессора). 2) ОЗУ системы и вспомогательных карт памяти. 3) вторичная компьютерная память. Жесткие диски и твердотельные накопители. 4) Накопители, требующие переключения носителей -или третичная память. Сюда относятся магнитные ленты, ленточные и дисковые библиотеки. В большинстве современных ПК рассматривается следующая иерархия памяти: Регистры процессора; Кэш процессора 1го уровня (L1); Кэш процессора 2го уровня (L2); Кэш процессора 3го уровня (L3); ОЗУ системы; Дисковое хранилище; Третичная память.

5. Конфигурация персонального компьютера

Под конфигурацией понимают определенный набор комплектующих, исходя из их предназначения, номера и основных характеристик. Зачастую конфигурация означает выбор аппаратного и программного обеспечения, прошивок и сопроводительной документации. Конфигурация влияет на функционирование и производительность компьютера. Существует 4 основные части оборудования персонального компьютера: Материнская плата выполняет функцию координатора. Чипсет -микропроцессорный комплекс управляющий внутр. системами компьютера. Чипсет определяет основные возможности материнской платы. Центральный процессорОперативная память (ОЗУ) отвечает за временное хранение данных при включённом компьютере. ПЗУ (постоянно запоминающее устройство) предназначен для длительного хранения данных при выключенном компьютере. Блок питания Дополнительные: Жёсткий диск -основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ, выполняет специальное аппаратно-логическое устройство. К основным параметрам относятся ёмкость и производительность. Звуковая плата.

6. Общая классификация программного обеспечения.

ПОпо сфере использования делят на: 1 )аппаратная часть автономных компьютеров и сетей ЭВМ; 2 )функциональные задачи различных предметных областей; 3 )технология разработки программ. ПО включ : 1 )системное ПО; 2 )пакеты прикладных программ; 3 )инструментарии технологии программирования. Системное ПО – сов-ть программ и прог-раммных комплексов, предназначенных для обеспечения работы персонального компьютера и сетей ЭВМ. Пакеты прикладных программ – комплекс взаимосвязанных программ и программных комплексов, обеспечивающих технологию разработки, отладки и внедрения созданных программных продуктов. Системное ПО вкл.: 1. базовое ПО: -операционные системы (ОС); -программы-оболочки ОС; -сетевыеОС 2. сервисное ПО.

7.Показатели оценки качества программ.обеспечения. Показатели надежности . надежность - это способность программы в конкретных областях применения выполн. заданные функции. В соответсвии с программ.документами в условиях возникновения отклонения в среде функционирования вызванных сбоями техн. средств, ошибками во входных данных, ошибками обслуживания и др. дистабилизирующими отклонениями. Устойчивость функционирования - это способность продолжать работу после возникновения отклонения. Работоспособность - это способность программы функционировать в заданных режимах и объемах обрабатываемой информации при отсутствии сбоев

8.Показатели оценки качества программ.обеспечения.Показатели сопровождаемости. Показатели качества представл. собой многоуровневую структуру, и использ. как разработка тестировщиками программ, так и покупателями заказчиками. Одним из показателей явл.сопровождаемость -это простота устранения ошибок в программе поддержание в актуальном состоянии и обнавлении программной документации. 1 Структурность – организация всех частей в единую логическую структуру. 2 Простота конструкции – построение программ наиболее рациональным, с точки зрения восприятия и понимания, способом. 3 Наглядность . 4 Повторяемость – степень использования типовых проектных решений или компанентов. 5 Полнота документации .

9.Показатели оценки качества программ.обеспечения. Показатели удобства использования. Показатели качества представл. собой многоуровневую структуру, и использ. как разработка тестировщиками программ, так и покупателями заказчиками. Одним из показателей явл. удобство использования – это свойства программы способствующие быстрому освоению применения и эксплуатации с минимальными трудозатратами и с учетом характера решаемых задач и требований квалификации обслуживающего персонала 1 Легкость освоения . 2 Доступность программной документации. 3 Удобства в эксплуатации и обслуживании.

10. Показатели оценки качества программного обеспечения. Эффективность. Эффективность (Efficiency) – степень удовлетворения потребностями пользователя в обработке данных с учетом экономических, трудовых ресурсов и ресурсов системы обработки информации; способность ПО обеспечивать требуемый уровень производительности в соответствие с выделенными ресурсами, временем и другими обозначенными условиями.

Виды:1)Уровень автоматизации 2) Временная эффективность – скорость обработки за определенное время 3) Ресурсоемкость – количество персонала, техн. Средств для осуществления процесса.

Децентрализация управления предполагает иерархическую орга низацию структуры ЭВМ . Устройство управления главного, или центрального, процессора определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правильной координации всех работ.

Подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, КВВ) могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена информацией. Стандартизация и унификация привели к появлению иерархии шин и к их специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств и структурах ПК появились:

системная шина - для взаимодействия основных устройств;

локальная шина - для ускорения обмена видеоданными;

периферийная шина - для подключения «медленных» периферий­ных устройств.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.

Принцип иерархичности памяти

Пользователю, желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В составе процессоров может иметься сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками или несколькими сотнями регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память , или память блокнотного типа , представляющая собой буферное запоминающее устройство для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. В современных ПК она в свою очередь делится: на кэш L1 (Е п = =16-32 Кбайта с временем доступа 1-2 такта процессора); на кэш L2 (Е п =128-512 Кбайт с временем доступа 3-5 тактов) и даже на кэш L3 (Е п =2-4 Мбайта с временем доступа 8-10 тактов). Кэш-память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Здесь возможна ассоциативная выборка данных. Основной объем программ пользователей и данных к ним размещается в оперативном запоминающем устройстве (емкость - миллионы машинных слов, время выборки - 10-20 тактов процессора).

Часть данных-констант, необходимых операционной системе для управления вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях. Они могут быть реализованы на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую кажущуюся (виртуальную) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Объём используемой памяти благодаря этому значительно превосходит ОЗУ.