link420 link421 link422 link423 link424 link425 link426 link427 link428 link429 link430 link431 link432 link433 link434 link435 link436 link437 link438 link439 link440 link441 link442 link443 link444 link445 link446 link447 link448 link449 link450 link451 link452 link453 link454 link455 link456 link457 link458 link459 link460 link461 link462 link463 link464 link465 link466 link467 link468 link469 link470 link471 link472 link473 link474 link475 link476 link477 link478 link479 link480 link481 link482 link483 link484 link485 link486 link487 link488 link489 link490 link491 link492 link493 link494 link495 link496 link497 link498 link499 link500 link501 link502 link503 link504 link505 link506 link507 link508 link509 link510 link511 link512 link513 link514 link515 link516 link517 link518 link519 link520 link521 link522 link523 link524 link525 link526 link527 link528 link529 link530 link531 link532 link533 link534 link535 link536 link537 link538 link539 link540 link541 link542 link543 link544 link545 link546 link547 link548 link549 link550 link551 link552 link553 link554 link555 link556 link557 link558 link559

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

Память. Нижний уровень

Методы доступа

Методы доступа

Различают четыре основных метода доступа. С каждым из них связана своя организация памяти, и их необходимо учитывать при оценке быстродействия ЭВМ.


Последовательный доступ. ЗУ с последовательным доступом, ориентированные на хранение информации в виде последовательности блоков данных, называемых записями. Для доступа к нужному элементу (слову или байту) необходимо прочитать все предшествующие ему данные. Время доступа зависит от положения требуемой записи в последовательности записей на носителе информации и позиции элемента внутри данной записи. Примером может служить ЗУ на магнитной ленте.


Прямой доступ. Каждая запись имеет уникальный адрес, отражающий ее физическое размещение на носителе информации. Обращение осуществляется как адресный доступ к началу записи с последующим последовательным доступом к определенной единице информации внутри записи. В результате время доступа к определенной позиции является величиной переменной. Такой режим характерен для магнитных дисков.


Произвольный доступ. Каждая ячейка памяти имеет уникальный физический адрес. Обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может проводиться в произвольной очередности. Примерами могут служить запоминающие устройства основной памяти.


Ассоциативный доступ. Этот вид доступа позволяет выполнять поиск ячеек, содержащих такую информацию, в которой значение отдельных битов совпадает с состоянием одноименных битов в заданном образце. Сравнение осуществляется параллельно для всех ячеек памяти, независимо от ее емкости. По ассоциативному принципу построены блоки КЭШ-памяти.

Параметры быстродействия ЗУ

Время доступа. Для памяти с произвольным доступам оно соответствует интервалу времени от момента поступления адреса до момента, когда данные заносятся в память или становятся доступными. В ЗУ с подвижным носителем информации это время, затрачиваемое на установку головки записи/считывания (или носителя) в нужную позицию.

Длительность цикла памяти или период обращения (ТЦ). Понятиеприменяется к памяти с произвольным доступом, для которой оноозначает минимальное время между двумя последовательными обращениями к памяти. Период обращения включает в себя время доступа плюс некоторое дополнительное время. Дополнительное время может требоваться для затухания сигналов на линиях, а в некоторых типах ЗУ, где считывание информации приводит к ее разрушению, — для восстановления считанной информации.


Скорость передачи. Это скорость, с которой данные могут передаваться в память или из нее. Для памяти с произвольным доступом она равна 1/ТЦ. Для других видов памяти скорость передачи определяется соотношением:


TN = ТА + N/R ,


где TN — среднее время считывания или записи N битов; ТА — среднее время доступа; R — скорость пересылки в битах в секунду.

Иерархия запоминающих устройств

Память часто называют "узким местом" фон-Неймановских ВМ из-за ее серьезного отставания по быстродействию от процессоров, причем, разрыв этот неуклонно увеличивается. Так, если производительность процессоров возрастает вдвое примерно каждые 1,5 года, то для микросхем памяти прирост быстродействия не превышает 9% в год (удвоение за 10 лет), что выражается в увеличении разрыва в быстродействии между процессором и памятью приблизительна на 50% в год. При создании системы памяти постоянно приходится решать задачу обеспечения требуемой емкости и высокого быстродействия за приемлемую цену. Наиболее эффективным решением является создание иерархической памяти. Иерархическая память состоит из ЗУ различных типов (см. рисунок ниже), которые, в зависимости от характеристик, относят к определенному уровню иерархии. Более высокий уровень меньше по емкости, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на бит, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и т. д.

Схема иерархической памяти

Четыре верхних уровня иерархии образуют внутреннюю память ЭВМ, а все нижние уровни — это внешняя или вторичная память. По мере движения вниз по иерархической структуре:

  1. Уменьшается соотношение "стоимость/бит".
  2. Возрастает емкость.
  3. Растет время доступа.
  4. Уменьшается частота обращения к памяти со стороны центрального процессора.

Если память организована в соответствии с пунктами 1 — 3, а характер размещения в ней данных и команд удовлетворяет пункту 4, иерархическая организация ведет к уменьшению общей стоимости при заданном уровне производительности.

Справедливость этого утверждения вытекает из принципа локальности по обращению. Если рассмотреть процесс выполнения большинства программ, то можно заметить, что с очень высокой вероятностью адрес очередной команды программы либо следует непосредственно за адресом, по которому была считана текущая команда, либо расположен вблизи него. Такое расположение адресов называется пространственной локальностью программы. Обрабатываемые данные, как правило, структурированы, и такие структуры обычно хранятся в последовательных ячейках памяти. Данная особенность программ называется пространственной локальностью данных. Кроме того, программы содержат множество небольших циклов и подпрограмм. Это означает, что небольшие наборы команд могут многократно повторяться в течение некоторого интервала времени, то есть имеет место временная локальность. Все три вида локальности объединяет понятие локальность по обращению. Принцип локальности часто облекают в численную форму и представляют в виде так называемого правила "90/ 10": 90% времени работы программы связано с доступом к 10% адресного пространства этой программы. Из свойства локальности вытекает, что программу разумно представить в виде последовательно обрабатываемых фрагментов. Помещая такие фрагменты в более быструю память, можно существенно снизить общие задержки на обращение, поскольку команды и данные, будучи один раз переданы из медленного ЗУ в быстрое, затем могут использоваться многократно и среднее время доступа к ним в этом случае определяется уже более быстрым ЗУ. На каждом уровне иерархии информация разбивается на блоки, которые и пересылаются между уровнями. При доступе к командам и данным, например, для их считывания, сначала производится поиск в памяти верхнего уровня. Факт обнаружения нужной информации называют попаданием (hit), в противном случае говорят о промахе (miss). При промахе производится поиск в ЗУ следующего, более низкого уровня, где также возможны попадание или промах. После обнаружении необходимой информации выполняется последовательная пересылка блока, содержащего искомую информацию, с нижних уровней на верхние. Следует отметить, что, независимо от числа уровней иерархии, пересылка информации может осуществляться только между двумя соседними уровнями. При оценке эффективности подобной организации памяти обычно используют следующие характеристики:

  • коэффициент попаданий (hit rate) — отношение числа обращений к памяти, при которых произошло попадание, к общему числу обращений к ЗУ данного уровня иерархии;
  • коэффициент промахов (miss rate) — отношение числа обращений к памяти, при которых имел место промах, к общему числу обращений к ЗУ данного уровня иерархии;
  • время обращения при попадании (hit time) — время, необходимое для поиска нужной информации в памяти верхнего уровня, плюс время на фактическое считывание данных;
  • потери на промах (miss penalty) — время, требуемое для замены блока в памяти более высокого уровня на блок с нужными данными, расположенный в ЗУ следующего (более низкого) уровня.

Описание некоторого уровня иерархии ЗУ предполагает конкретизацию четырех моментов:

  • размещения блока — допустимого места расположения блока на примыкающем сверху уровне иерархии;
  • идентификации блока — способа нахождения блока;
  • замещения блока — выбора блока, заменяемого при промахе с целью освобождения места для нового блока;
  • согласования копий (когерентность данных) — обеспечения согласованности копий одних и тех же блоков, расположенных на разных уровнях.