link840 link841 link842 link843 link844 link845 link846 link847 link848 link849 link850 link851 link852 link853 link854 link855 link856 link857 link858 link859 link860 link861 link862 link863 link864 link865 link866 link867 link868 link869 link870 link871 link872 link873 link874 link875 link876 link877 link878 link879 link880 link881 link882 link883 link884 link885 link886 link887 link888 link889 link890 link891 link892 link893 link894 link895 link896 link897 link898 link899 link900 link901 link902 link903 link904 link905 link906 link907 link908 link909 link910 link911 link912 link913 link914 link915 link916 link917 link918 link919 link920 link921 link922 link923 link924 link925 link926 link927 link928 link929 link930 link931 link932 link933 link934 link935 link936 link937 link938 link939 link940 link941 link942 link943 link944 link945 link946 link947 link948 link949 link950 link951 link952 link953 link954 link955 link956 link957 link958 link959 link960 link961 link962 link963 link964 link965 link966 link967 link968 link969 link970 link971 link972 link973 link974 link975 link976 link977 link978 link979

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

Память. Нижний уровень

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.