2.1 Основные концепции организации памяти ЭВМ

Вычислительные возможности ЭВМ в основном определяются характеристиками ее памяти, которая, как и архитектура ЭВМ, должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Универсальность, т.е. многофункциональное использование всех типов памяти для хранения программ и любых типов данных, а также обеспечение ее технических характеристик в заданных пределах.
2. Общность решаемых задач, т.е. память должна быть ориентирована на решение любого класса задач и обеспечивать максимальную эффективность организации вычислительного процесса.
3. Высокое быстродействие - память должна обеспечивать работу процессора в реальном времени и не снижать характеристики его производительности.
4. Надежность. В связи с ростом емкости памяти ЭВМ доля аппаратурных затрат на ее реализацию неуклонно возрастает, что приводит к увеличению числа сбоев и отказов памяти. Поэтому обеспечение высокой надежности памяти и достоверности результатов особенно возрастает.
5. Низкая стоимость. Так как емкость памяти и быстродействие постоянно возрастают, то и увеличивается и стоимость памяти. Поэтому данная проблема приобретает особую актуальность.
6. Обеспечение совместного использования и доступа к памяти множеством программ или процессоров в мультипрограммных и многопроцессорных комплексах.
7. Дружественность, т.е. ориентированность памяти к классам решаемых задач пользователя с целью обеспечения улучшения технических характеристик системы и использование удобного как программного, так и аппаратного интерфейса.

При этом требования 2-6 допускают количественную оценку, а 1 и 7 нельзя измерить количественно. Анализ требований к памяти показывает, что реализовать все перечисленные требования в одном типе (БИС) памяти невозможно, так как большинство их являются противоречивыми. Поэтому на практике используется множество типов ЗУ, которые отличаются своей архитектурой, техническими характеристиками (временем доступа, емкостью, стоимостью на бит информации). Также необходимо учитывать, что произведение времени доступа к памяти на стоимость бита информации является почти постоянной величиной для всех типов ЗУ.

Классификация архитектур памяти по требованиям к ним выглядит следующим образом:

1. Быстродействующие памяти (РОН, СОЗУ с прямым доступом, FIFO, LIFO на основе БИС СОЗУ, кэш-память, расслоение обращений к ОП, т.е. время доступа к памяти в 3-10 раз меньше, чем к ОП).
2. Быстродействующая память большой емкости - это ОП и дисковая кэш-память, располагаемая между основной и вторичной (дисковой) памятью (буферная память обычно типа FIFO), позволяющая снизить время доступа к вторичной памяти в 2-10 раз.
3. Виртуальная память (страничная, сегментная, сегментно-страничная организация памяти в общем адресном пространстве ЭВМ), когда для программиста память представлена как единое целое, а техническая реализация подразумевает использование емкости ОП и внешней дисковой памяти.
4. Общая память (совместное использование ОП множеством программ и процессоров на основе организации многопортового доступа к ОП и арбитражем доступов к памяти в мультипрограммных и мультипроцессорных системах).
5. Высоконадежная память:
   • с использованием корректирующих кодов для автоматического исправления одиночных ошибок;
   • память с системой защиты по атрибутам доступа, защитой, основанной на использовании мандата, описывающего правила, права доступа, путь доступа и допустимые операции, выполняемые с памятью (защищенный режим работы) или еще называют с защитой от несанкционированного доступа.
6. Интеллектуальная память - это такая память, в которой для доступа к данным указывается не адрес ячейки памяти, а только часть данных и смысловая связь с другими данными, к которым уже был произведен доступ:
   • ассоциативная память АЗУ;
   • память правил, в которой хранятся совокупности правил для доступа к данным;
   • память семантической структуры, в которой хранится семантическая сеть, используемая для поиска информации в соответствии со смысловой связью.

Такие виды памяти необходимы для различных экспертных и интеллектуальных систем, баз знаний, систем логического вывода и т.д. Поэтому для увеличения емкости и повышения быстродействия без увеличения стоимости памяти необходимо использовать многоуровневую иерархическую организацию памяти.

Так как программы размещаются в последовательных ячейках памяти при естественном порядке следования команд, то такое расположение называется пространственной локальностью программы. Для ряда данных также характерно их размещение в соседних ячейках (массивы, исходные данные) и называется пространственной локальностью данных (обычно рекомендуется описывать данные по мере их использования в программе). С другой стороны, для программ характерна циклическая организация повторения некоторых участков программы, подпрограмм в течение какого-либо промежутка времени. К данным, как правило, доступ также осуществляется многократно. Такой процесс называется временной локальностью, а общее их название - локальность по доступу.

Применение блочной пересылки между различными уровнями памяти требует меньше времени, чем суммарное время пересылки отдельных данных этого блока, особенно при расслоении обращений к памяти.

Размер блока для обмена между основной памятью и вторичной порядка при страничной организации памяти до 4 Кбайт, т.к. емкость ОП достаточно велика (до нескольких Мб), поэтому выигрыш во времени для обмена данными блоками достаточно существенен.

При обмене кэш-памяти с ОП размер блоков (строк) невелик: 8-16 слов (16-128 байт), отсюда выигрыш по времени за счет пространственной локальности ниже, чем в предыдущем примере, но так как число строк в кэш-памяти велико (500-4000), то влияние временной локальности достаточно ощутимо.