Запоминающие устройства ЭВМ

1. Запоминающие устройства ЭВМ

2.

Память ЭВМ - совокупность устройств, служащих для
запоминания, хранения и выдачи информации.
Отдельные устройства, входящие в эту совокупность,
называются запоминающими устройствами ( ЗУ ) того или
иного типа.
Запоминающие устройства играют важную роль в общей
структуре ЭВМ. По некоторым оценкам производительность
компьютера на разных классах задач на 40-50% определяется
характеристиками ЗУ различных типов, входящих в его состав.

3.

Основные параметры ЗУ

4.

К основным параметрам, характеризующим
запоминающие устройства, относятся емкость и
быстродействие.

5.

Емкость
Емкость памяти - это максимальное количество данных, которое в ней может
храниться.
Емкость запоминающего устройства измеряется количеством адресуемых
элементов (ячеек) ЗУ и длиной ячейки в битах. В настоящее время практически
все запоминающие устройства в качестве минимально адресуемого элемента
используют 1 байт (1 байт = 8 двоичных разрядов (бит)). Поэтому емкость
памяти обычно определяется в байтах, килобайтах (1Кбайт=210 байт),
мегабайтах (1Мбайт = 220 байт), гигабайтах (1Гбайт = 230 байт) и т.д.
За одно обращение к запоминающему устройству производится считывание
или запись некоторой единицы данных, называемой словом, различной для
устройств разного типа. Это определяет разную организацию памяти.
Например, память объемом 1мегабайт может быть организована как 1М
слов по 1 байту, или 512К слов по 2 байта каждое, или 256К слов по 4 байта и т.д.
В то же время, в каждой ЭВМ используется свое понятие машинного слова,
которое применяется при определении архитектуры компьютера, в частности при
его программировании, и не зависит от размерности слова памяти, используемой
для построения данной ЭВМ. Например, компьютеры с архитектурой IBM
PC имеют машинное слово длиной 2 байта.

6.

Быстродействие
Быстродействие памяти определяется
продолжительностью операции обращения, то есть временем,
затрачиваемым на поискнужной информации в памяти и на ее
считывание, или временем на поиск места в памяти,
предназначаемого для хранения данной информации, и на
ее запись:
tобр = max(tобр сч, tобр зп)
где tобр сч - быстродействие ЗУ при считывании информации; tобр
зп - быстродействие ЗУ при записи.

7.

Классификация запоминающих устройств

8.

По типу обращения ЗУ делятся на устройства, допускающие как чтение, так и запись
информации, и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), предназначенные
только для чтения записанных в них данных ( ROM - read only memory ). ЗУ первого
типа используются в процессе работы процессора для хранения выполняемых
программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. В ПЗУ,
как правило, хранятся системные программы, необходимые для запуска компьютера в
работу, а также константы. В некоторых ЭВМ, предназначенных, например, для
работы в системах управления по одним и тем же неизменяемым алгоритмам,
всепрограммное обеспечение может храниться в ПЗУ.
По организации доступа делятся на:
ЗУ с произвольным доступом ( RAM - random access memory ) время доступа не
зависит от места расположения участка памяти (например, ОЗУ ).
ЗУ с прямым (циклическим) доступом благодаря непрерывному вращению носителя
информации (например, магнитный диск - МД) возможность обращения к некоторому
участку носителя циклически повторяется. Время доступа здесь зависит от взаимного
расположения этого участка и головок чтения/записи и во многом определяется
скоростью вращения носителя.
ЗУ с последовательным доступом производится последовательный просмотр
участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое нужное
положение напротив головок чтения/записи (например, магнитные ленты - МЛ).

9.

Идеальное запоминающее устройство должно обладать бесконечно
большой емкостью и иметь бесконечно малое время обращения. На
практике эти параметры находятся в противоречии друг другу: в
рамках одного типа ЗУ улучшение одного из них ведет к ухудшению
значения другого. К тому же следует иметь в виду и экономическую
целесообразность построения запоминающего устройства с теми или
иными характеристиками при данном уровне развития технологии.
Поэтому в настоящее время запоминающие устройства компьютера,
как это и предполагал Нейман, строятся по иерархическому принципу.

10.

Иерархическая организация памяти в
современных ЭВМ

11.

Иерархическая структура памяти позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших объемов
информации с быстрым доступом к информации в процессе ее обработки.
На нижнем уровне иерархии находится регистровая память - набор регистров, входящих непосредственно в состав
микропроцессора (центрального процессора - CPU ). Регистры CPU программно доступны и хранят информацию,
наиболее часто используемую при выполнении программы: промежуточные результаты, составные части адресов,
счетчики циклов и т.д. Регистровая память имеет относительно небольшой объем (до нескольких десятков
машинных слов). РП работает на частоте процессора, поэтому время доступа к ней минимально. Например, при
частоте работы процессора 2 ГГц время обращения к его регистрам составит всего 0,5 нс.
Оперативная память - устройство, которое служит для хранения информации (программ, исходных данных,
промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в ходе выполнения программы в
процессоре. В настоящее время объем ОП персональных компьютеров составляет несколько
сотен мегабайт. Оперативная память работает на частоте системной шины и требует 6-8 циклов синхронизации
шины для обращения к ней. Так, при частоте работы системной шины 100 МГц (при этом период равен 10 нс) время
обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.
Для заполнения пробела между РП и ОП по объему и времени обращения в настоящее время используется кэшпамять, которая организована как более быстродействующая (и, следовательно, более дорогая)
статическая оперативная память со специальным механизмом записи и считывания информации и предназначена
для хранения информации, наиболее часто используемой при работе программы. Как правило, часть кэшпамяти располагается непосредственно на кристалле микропроцессора (внутренний кэш ), а часть - вне его
(внешняя кэш-память ). Кэш-память программно недоступна. Для обращения к ней используются аппаратные
средствапроцессора и компьютера.
Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и оптических дисках, магнитных
лентах. Емкость дисковой памяти достигает десятков гигабайт при времени обращения менее 1 мкс. Магнитные
ленты вследствие своего малого быстродействия и большойемкости используются в настоящее время в основном
только как устройства резервного копирования данных, обращение к которым происходит редко, а может быть и
никогда. Время обращения для них может достигать нескольких десятков секунд.

12. Общий вид иерархии памяти ЭВМ

13.

1. Верхнее место в иерархии памяти занимают регистровые ЗУ, которые входят
в состав процессора и часто рассматриваются не как самостоятельный блок ЗУ,
а просто как набор регистров процессора. Такие ЗУ в большинстве случаев
реализованы на том же кристалле, что и процессор, и предназначены для
хранения небольшого количества информации (до нескольких десятков слов, а
в RISC-архитектурах – до сотни), которая обрабатывается в текущий момент
времени или часто используется процессором. Это позволяет сократить время
выполнения программы за счет использования команд типа регистр-регистр и
уменьшить частоту обменов информацией с более медленными ЗУ ЭВМ.
Обращение к этим ЗУ производится непосредственно по командам процессора.
2. Следующую позицию в иерархии занимают буферные ЗУ. Их назначение
состоит в сокращении времени передачи информации между процессором и
более медленными уровнями памяти компьютера. Буферная память может
устанавливаться на различных уровнях, но здесь речь идет именно об
указанном ее местоположении. Ранее такие буферные ЗУ в отечественной
литературе называли сверхоперативными, сейчас это название практически
полностью вытеснил термин "кэш-память" или просто кэш.

14.

3. Еще одним (внутренним) уровнем памяти являются служебные ЗУ. Имеют
различное назначение.
4. Следующим уровнем иерархии памяти является оперативная память.
Оперативное ЗУ (ОЗУ) является основным запоминающим устройством ЭВМ, в
котором хранятся выполняемые в настоящий момент процессором программы и
обрабатываемые данные, резидентные программы, модули операционной
системы и т.п. Название оперативной памяти также несколько изменялось во
времени. В некоторых семействах ЭВМ ее называли основной памятью, основной
оперативной памятью и пр. В англоязычной литературе также используется
термин RAM (random access memory), означающий память с произвольным
доступом.
Эта память используется в качестве основного запоминающего устройства ЭВМ
для хранения программ, выполняемых или готовых к выполнению в текущий
момент времени, и относящихся к ним данных. В оперативной памяти
располагаются и компоненты операционной системы, необходимые для ее
нормальной работы. Информация, находящаяся в ОЗУ, непосредственно доступна
командам процессора, при условии соблюдения требований защиты.

15.

5. Еще одним уровнем иерархии ЗУ может являться дополнительная память,
которую иногда называли расширенной или массовой. Первоначально (1970-е годы)
эта ступень использовалась для наращивания емкости оперативной памяти до
величины, соответствующей адресному пространству (например, 24-битного адреса)
команд, с помощью подключения более дешевого и емкого, чем ОЗУ, запоминающего
устройства.
Это могла быть ферритовая память или даже память на магнитных дисках. Конечно,
она была более медленной, а хранимая в ней информация сперва передавалась в
оперативную память и только оттуда попадала в процессор. При записи путь был
обратный.
В состав памяти ЭВМ входят также ЗУ, принадлежащие отдельным
функциональным блокам компьютера. Формально эти устройства непосредственно не
обслуживают основные потоки данных и команд, проходящие через процессор. Их
назначение обычно сводится к буферизации данных, извлекаемых из каких-либо
устройств и поступающих в них.
Типичным примером такой памяти является видеопамять графического адаптера,
которая используется в качестве буферной памяти для снижения нагрузки на основную
память и системную шину процессора.
Другими примерами таких устройств могут служить буферная память контроллеров
жестких дисков, а также память, использовавшаяся в каналах (процессорах) вводавывода для организации одновременной работы нескольких внешних устройств.

16.

7. Следующей ступенью памяти, ставшей фактически стандартом для любых
ЭВМ, являются жесткие диски. В этих ЗУ хранится практически вся
информация, которая используется более или менее активно, начиная от
операционной системы и основных прикладных программ и кончая редко
используемыми пакетами и справочными данными.
8. Все остальные запоминающие устройства можно объединить с точки зрения
функционального назначения в одну общую группу, охарактеризовав ее как
группувнешних ЗУ.

17. Особенности организации ЗУ

18.

1. По функциональным возможностям ЗУ можно разделять:
- на простые, допускающие только хранение информации;
- многофункциональные, которые позволяют не только хранить, но и перерабатывать хранимую
информацию без участия процессора непосредственно в самих ЗУ.
2. По возможности изменения информации различают ЗУ:
- постоянные (или с однократной записью);
- односторонние (с перезаписью или перепрограммируемые);
- двусторонние.
В постоянных ЗУ (ПЗУ) информация заносится либо при изготовлении, либо посредством записи
(или, как иначе называют эту процедуру, программирования или прожига), которая может быть
выполнена только однократно. В ходе такой записи изменяется сам носитель информации,
например, пережигаются проводники в микросхемах ПЗУ или формируются лунки в отражающем
слое CD-ROM.
Односторонними называют ЗУ, которые имеют существенно различные времена записи и
считывания информации. Наиболее распространенными типами таких ЗУ являются
перепрограммируемые постоянные ЗУ или компакт-диски с перезаписью – CD-RW. Время записи
в устройствах этих типов значительно превышает время считывания информации.
К односторонним ЗУ можно отнести и ЗУ на приборах с зарядовой связью (ПЗС), в которых время
записи (формирования изображения), вообще говоря, заметно меньше времени считывания
(передачи изображения).
Двусторонние ЗУ имеют близкие значения времен чтения и записи. Типичными представителями
таких ЗУ являются оперативные ЗУ и ЗУ на жестких дисках.

19.

3. По способу доступа различают ЗУ:
- с адресным доступом;
Например, в оперативных ЗУ адрес представляет собой двоичный код, одна
часть разрядов которого указывают строку матрицы элементов памяти, а
другая – столбец этой матрицы. На пересечении заданных строки и столбца
находится искомая информация.
- с ассоциативным доступом.
При ассоциативном доступе место хранения информации при чтении и
записи определяется не адресом, а значением некоторого ключа поиска.
Каждое записанное и хранимое в ассоциативной памяти слово имеет поле
ключа. Значение этого ключа сравнивается со значением ключа поиска при
чтении данных из памяти. В случае совпадения сравниваемых значений
информация считывается из памяти.
Ассоциативная память эффективна для решения задач, связанных с поиском
данных. Однако ее использование ограничено в силу сравнительно высокой
ее сложности.

20.

4. По организации носителя различают ЗУ:
- с неподвижным носителем;
носитель механически неподвижен в процессе чтения и записи информации, что имеет
место, например, в оперативных и кэш ЗУ, твердотельных дисках, ЗУ с переносом
зарядов и др.
- с подвижным носителем.
Чтение и запись информации сопровождаются механическим перемещением носителя,
что обычно имеет место в различных ЗУ с магнитной записью, например в жестких и
гибких дисках.
5. По возможности смены носителя ЗУ могут быть:
- с постоянным носителем;
Носитель является частью самого устройства и не может быть извлечен из него в
процессе нормального функционирования (оперативные ЗУ, жесткие диски).
- со сменным носителем.
Носитель не является собственной частью устройства и может устанавливаться в ЗУ и
извлекаться из него в процессе работы (гибкие диски, CD-ROM-дисководы, карты
памяти, магнито-оптические диски).

21.

6. По способу подключения к системе ЗУ делятся:
- на внутренние (стационарные);
ЗУ является обязательным компонентом вычислительной системы, устанавливается в
корпусе системы (например, оперативная память) или интегрируется с другими ее
компонентами (например, кэш-память).
- внешние (съемные).
Устройство подключается к системе дополнительно и представляет собой отдельный блок.
Подключение (и отключение) таких ЗУ, в зависимости от особенности их реализации,
может производиться как при выключенной системе так и в работающей системе.
7. По количеству блоков, образующих модуль или ступень памяти, можно различать:
- одноблочные ЗУ;
- многоблочные ЗУ.
Такое разделение может представлять интерес в том случае, когда в многоблочное ЗУ
входят блоки (или банки памяти), допускающие возможность параллельной работы. В
этом случае за счет одновременной работы блоков можно повысить общую
производительность модуля (ступени) ЗУ, иначе называемую его пропускной
способностью и измеряемую количеством информации, которое модуль может записать
или считать в единицу времени.