Иерархия запоминающих устройств
Иерархия памяти позволяет расширить свойства запоминающих устройств различных типов, объединить их преимущества, получить выигрыш в скоростных характеристиках и эффективности использования памяти.
Самая быстрая, “сверхоперативная” память ВС - это внутренняя регистровая память процессора. Регистры - внутренние запоминающие устройства процессора, предназначенные для временного хранения обрабатываемой или управляющей информации. Наиболее часто используемая системой информация и промежуточные данные программ размещаются в регистрах.
Память, в которой во время выполнения размещаются код активной программы и ее данные, - оперативная память процессора. Оперативная память ВС, таким образом, предназначена для приема, хранения и выдачи данных и команд, обрабатываемых процессором. Оперативная память ВС является основной или первичной памятью ВС. Основная (первичная) память компьютера адресуется с помощью электронной аппаратуры.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) используются для долговременного хранения информации. Чтобы процессор мог обратиться к данным, хранящимся во внешней памяти, их необходимо вначале переписать в основную память. Внешняя или вторичная память характеризуется большим объемом, но относительно малым быстродействием, так как доступ к данным реализуется с помощью электромеханических устройств. Эту память называют еще вспомогательной, так как она может быть использована и для временного хранения данных и программ неактивных в данный момент.
|
|
|
Основные ограничения производительности ВС часто связаны со следующими проблемами:
¨ небольшой объем внутренней памяти процессора;
¨ относительно низкая скорость доступа к основной памяти относительно скорости доступа к данным в регистрах;
¨ малый объем оперативной памяти по отношению к требованиям выполняемых программ;
¨ различия порядков времени доступа к вспомогательной памяти (скорость доступа ограничивается возможностями механики) и к основной памяти (“чистая” электроника).
Для решения этих проблем в иерархию запоминающих устройств (ЗУ) ВС вводятся “промежуточные” уровни.
В современных ВС основная память уже не является однородной, а состоит из иерархии устройств памяти M1, M2,..., Mn, различающихся своими скоростными характеристиками и размерами. Характеристики каждого уровня устройств этой иерархии таковы, что выполняются условия:
Время доступа (Mi) < Время доступа (Mi+1)
Размер (Mi) < Размер (Mi+1)
Стоимость (Mi) > Стоимость (Mi+1)
(i = 1, 2,..., n-1).
При работе с множеством запоминающих устройств различного типа аппаратура и программное обеспечение проектируются так, чтобы наиболее часто используемая информация хранилась в M1 с целью приближения производительности ВС к производительности системы с однородной памятью того же типа M1, но объема, равного объему Mn. Общая иерархия ЗУ ВС показана на рис.3.1.
|
|
|
Ведомая схема
 | |||
 | |||
 |
ЦП M1 M2 Mn ВЗУ
 | |||
 | |||
Распределенная схема
Рис.3.1. Иерархия памяти в современных ВС
Существует две базовые схемы соединения ЦП и внешней вспомогательной памяти в иерархию: подчиненная (ведомая) и распределенная.
При распределенной организации вся основная память непосредственно доступна как для обмена со вспомогательной памятью, так и для ЦП при выполнении им операций выборки и записи.
Подчиненная организация предполагает, что устройство M1 является напрямую доступным для ЦП устройством, к которому имеет доступ только сам ЦП, а связь со вспомогательной памятью ограничивается в общем случае более медленными уровнями основной памяти. При записи данных на любой уровень Mi аппаратура автоматически обеспечивает появление новой копии в ЗУ уровней Mi+1,..., Mn путем передачи информации через иерархию. При выборке данных с уровня Mi они также запоминаются на всех уровнях Mi-1,..., M1 для более быстрого доступа при использовании в будущем. Эта схема предполагает использование определенной дисциплины замещения, если очередной уровень оказывается заполненным. При замещении информации на каком-либо уровне Mi ее копии остаются на следующих уровнях и/или во вспомогательной памяти.
|
|
|
В ВС используются также комбинации этих двух схем обмена между уровнями иерархии.
Иерархия ЗУ в ВС на базе процессоров Intel включает следующие возможные уровни ЗУ:
¨ внутренняя память процессора (регистры и кэш);
¨ внешняя кэш-память на статических ОЗУ;
¨ оперативная память на динамических ОЗУ;
¨ внешняя память (на жестких и гибких дисках, CD-ROM и т.п.).
Регистровая память в ВС с разной архитектурой может иметь различную организацию. При разработке архитектуры ЭВМ за регистрами может быть закреплено определенное функциональное назначение, то есть регистры могут быть специализированными, например, адресные регистры или регистры данных. Это позволяет упростить адресацию, облегчить отладку программ, однако такое жесткое разграничение не всегда оправдано, оно может привести к неэффективному использованию регистровой памяти. Поэтому существует другой вариант ее организации, когда регистры являются универсальными.
|
|
|
В процессорах семейства Intel найден разумный компромисс при распределении функций между регистрами: часть функций, выполняемых регистрами, закреплена за ними постоянно, для выполнения других функций существуют регистры общего назначения, их использование может зависеть от контекста.
Регистры по назначению и способу их использования можно разбить на следующие группы:
- регистры общего назначения;
- сегментные регистры;
- указатель команд;
- регистр флагов.
Эти регистры объединяют в группу пользовательских регистров, они доступны в прикладных программах, команды программы могут изменять и анализировать их содержимое.
Кроме того, выделяют группу системных регистров, используемых для реализации мощных системных возможностей процессоров Intel, работа с этими регистрами - дополнительные возможности для системных программистов. В эту группу входят регистры защищенного режима, регистры управления, тестовые регистры (регистры проверки) и регистры отладки.
Процессоры Intel используют также теневые регистры для хранения системной информации и буфер ассоциативной трансляции, используемые механизмом адресации памяти, и внутреннюю кэш-память, в которую помещаются команды и данные, выбранные из оперативной памяти.
Устройства обработки чисел с плавающей точкой содержат свои наборы регистров.
Кэш-память является высокоскоростным буфером для промежуточного хранения оперативной информации. Кэш-память “прозрачна” для процессора. При первом обращении к памяти по некоторому адресу происходит кэш-промах и информация автоматически подкачивается в кэш и при последующих обращениях по тому же адресу уже не происходит обращений к менее быстродействующей оперативной памяти, а данные или команда выбираются непосредственно из кэша (такая ситуация называется кэш-попаданием). Подкачка информации для уменьшения количества обращений к оперативной памяти по шине выполняется блоками. При замещении занятого блока его содержимое (если информация была модифицирована при работе программы) сохраняется в оперативной памяти. Для ускорения доступа к информации в кэше применяют ассоциативный поиск. Процессоры Intel имеют средства для управления режимом записи информации в кэш-память (возможна сквозная запись и обратная запись), так же существует возможность запрета на кэширование (для разделяемой памяти, с которой работают несколько процессоров).
Использование кэш-памяти позволяет сократить разницу в скорости при обращении к регистрам и при обращении к оперативной памяти, так как число кэш-попаданий для хорошо написанной программы приближается к 80%.
Увеличить объем доступной при работе программы памяти позволяет организация виртуальной памяти, которая включает в иерархию ЗУ внешнюю память в качестве вспомогательной.
Использование кэш-памяти и организация виртуальной памяти требуют соблюдения определенных требований при разработке программы для эффективного ее выполнения (основные условия - соблюдение принципа локальности ссылок и выравнивание данных на естественные границы).
Иерархия памяти в ВС с процессорами Intel представлена на рис.3.2.
Контроллер кэш-памяти
Процессор
Регистры Внутренняя
кэш-память Внешняя Оперативная Внешняя
Дата добавления: 2016-01-05; просмотров: 21; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!