Концепция многоуровневой памяти. Иерархическая модель памяти

В предыдущем подразд. была описана классическая структура ЭВМ, соответствующая вычислительным машинам первого и второго поколений. Естественно, что в результате бурного развития технологии производства средств вычислительной техники такая структура не могла не претерпеть определенных прогрессивных изменений.

Как отмечалось выше, появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механически движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени был бы вынужден простаивать в ожидании информации «из внешнего мира», что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства» (или просто контроллер).

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений.

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры, изображенной на рис. 4.11. Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:

• шина данных, по которой передается информация;

• шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

• шина управления, регулирующая процесс обмена информацией. Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и

адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами – это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

Совершенствование архитектуры ЭВМ затронуло все виды устройств. Обсуждение архитектуры микропроцессоров, ввиду их особой важности, отложим до следующего подразд., а сейчас обсудим современную реализацию оперативной памяти. Конструктивно оперативная память – совокупность микросхем, обеспечивающих хранение программ и данных, оперативно обрабатываемых компьютером. Наряду с процессором, оперативная память – один из наиболее дорогих компонентов персонального компьютера. Любопытное сравнение: до 1996 г. стоимость кристаллов ОЗУ превышала стоимость того же по весу количества золота! (Надо добавить, что за последующие 5 лет эта стоимость, в расчете на 1 Мбайт, упала в десятки раз.)

Существуют два основных типа устройств оперативной памяти: динамическая (DRAM – Dynamic Random Access Memory) и статическая (SRAM – Static Random Access Memory). Динамическая память чаще всего является основной, статическая – дополнительной.

Основное физическое устройство динамической памяти – крошечные конденсаторы, которые могут находиться в двух состояниях (заряжен и не заряжен). Для хранения одного бита информации необходим один транзистор и два конденсатора (транзистор – поскольку схема должна не только хранить информацию, но и допускать ее перезапись). Поскольку заряженный конденсатор быстро саморазряжается, то контроллер памяти регулярно, примерно 500 раз в секунду, опрашивает каждое микроустройство и, если надо, возобновляет заряд. Еще раз задумайтесь над чудесами современной микроэлектроники: крошечная микросхема динамической памяти в 64 Мбайт, стоящая в персональном компьютере, имеет в своем составе 512 млн транзисторов!

Тем не менее, по быстродействию динамическая память значительно уступает современным микропроцессорам. Это означает, что внутрипроцессорные операции совершаются значительно быстрее, чем обмен информацией между процессором и памятью. Поскольку операции такого обмена являются при исполнении программы делом обычным, то «медлительность» DRAM тормозит весь процесс.

Необходима пусть менее емкая, но более «быстрая» память, которая позволит хранить самые употребимые исполняемой программой данные, и таковой является статическая память.

Статическая, или кэш-память, работает практически с той же скоростью, что и современные процессоры. Это достигнуто за счет отказа от конденсаторов – каждый бит информации храниться в статической памяти микросхемой из шести транзисторов. При гораздо меньшей информационной емкости схема статической памяти гораздо больше в размерах, нежели динамической, и гораздо дороже. Поэтому кэш-память не вытесняет динамическую, а является буфером между динамической памятью и процессором. Контроллер кэш-памяти по мере исполнения программы пытается «забежать вперед» и перегрузить те данные, которые вскоре понадобятся процессору, из динамической памяти в статическую. Все это, вместе взятое, позволяет значительно увеличить производительность системы.

Конструктивно кэш-память может быть как встроенной в процессор, так и отдельной от него микросхемой, устанавливаемой на системной плате. Более того, в современных компьютерах есть одновременно два типа кэш-памяти: встроенная в процессор (кэш-память первого уровня) и отделенная от него (второго уровня). Память второго уровня может быть как физически отдельным устройством, ставящимся на системной плате, так и находиться в корпусе процессора.

Приведем пример: у процессора Pentium III с тактовой частотой 550 МГц быстродействие кэш-памяти первого уровня равно 550 МГц, второго уровня вдвое меньше (275 МГц), а быстродействие динамической памяти не более чем 100 МГц.

К оперативной памяти примыкает постоянное запоминающее устройство – ПЗУ (ROM – Read Only Memory). В ней данные можно лишь хранить, но не изменять (по крайней мере, в ходе работы компьютера). В отличие от предыдущих устройств, ПЗУ – энергонезависимое, т.е. данные, находящиеся в нем, не зависят от того, включен ли компьютер (в динамической и статической памяти при исчезновении энергопитания данные практически мгновенно исчезают). В ПЗУ хранится программа запуска компьютера после включения питания, называемая BIOS (базовая система ввода-вывода). Эта программа загружает с диска операционную систему и далее в работе компьютера не участвует.

Для получения на экране дисплея стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти существенно зависит от характера информации (текстовая или графическая) и от числа цветов изображения. Конструктивно она может быть выполнена как обычное ОЗУ или содержаться непосредственно в контроллере дисплея.

Остановимся еще на одной важной особенности структуры современных ЭВМ. Поскольку процессор теперь перестал быть центром конструкции, стало возможным реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти (ПДП). Для его реализации необходим специальный контроллер.

При описании магистральной структуры мы упрощенно предполагали, что все устройства взаимодействуют через общую шину. С точки зрения архитектуры этого вполне достаточно. Упомянем все же, что на практике такая структура применяется только для ЭВМ с небольшим числом внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколько дополнительных шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая – для связи с «быстрыми», а третья – с «медленными» внешними устройствами. Отметим, что высокоскоростная шина данных ОЗУ обязательно требуется при наличии режима ПДП.