Организация физической памяти компьютера

Со времен создания ЭВМ фон Неймана основная память в компьютерной системе организована как линейное (одномерное) адресное пространство, состоящее из последова­тельности слов, а позже байтов. Аналогично организована и внешняя память. Хотя такая организация и отражает особенности используемого аппаратного обеспечения, она не соответствует способу, которым обычно создаются программы. Большинство программ организовано в виде модулей, некоторые из которых неизменны (только для чтения, толь­ко для исполнения), а другие содержат данные, которые могут быть изменены.

Если операционная система и аппаратное обеспечение могут эффективно работать с пользовательскими программами и данными, представленными модулями, то это обеспечивает ряд преимуществ.

Модули могут быть созданы и скомпилированы независимо друг от друга, при этом все ссылки из одного модуля в другой разрешаются системой во время работы про­граммы.

Разные модули могут получать разные степени защиты (только чтение, только ис­полнение) за счет весьма умеренных накладных расходов.

Возможно применение механизма, обеспечивающего совместное использование модулей разными процессами (для случая сотрудничества процессов в работе над одной задачей).

Память - важнейший ресурс вычислительной системы, требующий эффективного управления. Несмотря на то, что в наши дни память среднего домашнего компьютера в тысячи раз превышает память больших ЭВМ 70-х годов, программы увеличиваются в размере быстрее, чем память. Достаточно сказать, что только операционная система занимает сотни Мбайт (Windows 2000 - до 30 млн. строк), не говоря о прикладных про­граммах и базах данных, которые могут занимать в вычислительных системах десятки и сотни Гбайт.

Перефразированный закон Паркинсона гласит: «Программы расширяются, стремясь заполнить весь объем памяти, доступный для их поддержки» (сказано это было об операционных системах).

В идеале программисты хотели бы иметь неограниченную в размере и скорости па­мять, которая была бы энергонезависимой, т. е. сохраняла свое содержимое при выклю­чении электричества, а также недорого бы стоила.

Однако реально пока такой памяти нет. В то же время на любом этапе развития тех­нологии производства запоминающих устройств действуют следующие достаточно устойчивые соотношения:

· чем меньше время доступа, тем дороже бит;

· чем выше емкость, тем ниже стоимость бита;

· чем выше емкость, тем больше время доступа.

Чтобы найти выход из сложившейся ситуации, необходимо опираться не на отдель­но взятые компоненты или технологию, а выстроить иерархию запоминающих устройств, показанную на рис. 3.1.

При перемещении слева направо происходит следующее (даны примерные характеристики для офисного ПК 2004-2005 года):

· снижается стоимость бита;

· возрастает емкость;

· возрастает время доступа;снижается частота обращений процессора к памяти.

Предположим, процессор имеет доступ к памяти двух уровней. На первом уровне содержится Е₁слов, и он характеризуется временем доступа Т_t- 1 не. К этому уровню процессор может обращаться непосредственно. Однако если требуется получить слово, находящееся на втором уровне, то его сначала нужно передать на первый уровень. При этом передается не только требуемое слово, а блок данных, содержащий это слово. По­скольку адреса, к которым обращается процессор, имеют тенденцию собираться в груп­пы (циклы, подпрограммы), процессор обращается к небольшому повторяющему набору команд. Таким образом, работа процессора с вновь полученным блоком памяти будет проходить достаточно длительное время.

Обозначим через Т₂= 10 не время обращения ко второму уровню памяти, а через Р ­отношение числа нахождений нужного слова в быстрой памяти к числу всех обраще­ний. Пусть в нашем примере Р = 0,95 (т. е. 95% обращений приходится на быструю па­мять, что вполне реально), тогда среднее время доступа к памяти можно записать так:

Т _ср = 0,95*1 не + 0,05* (1нс + 10нс) = 1,55 не

Этот принцип можно применять не только к памяти с двумя уровнями. Реально так и происходит.