Архитектура машинной памяти

Память ЭВМ – это совокупность различных ЗУ. Основными техническими характеристиками ЗУ являются емкость и быстродействие.

Емкость ЗУ определяет предельный объем данных, которые можно разместить в ЗУ. Емкость измеряется в битах, байтах, а, чаще, в килобайтах (К) и мегабайтах (Мбайт). 1 К = 1024 (2¹⁰) байт, 1 Мбайт = 1024 (2¹⁰) К.

Быстродействие ЗУ обычно оценивается временем обращения (или временем цикла), т.е. промежутком времени необходимым для считывания и регенерации информации в данном ЗУ. Иными словами, это – минимальный промежуток времени между двумя командами считывания. Часто используют другой параметр, характеризующий быстродействие ЗУ, - время выборки (или время считывания). Это интервал времени между моментом подачи сгнила считывания и моментом получения выходного информационного сигнала.

К ЗУ предъявляются требования большой емкости и высокого быстродействия. Эти требования противоречивы, т.к. обычно с увеличением емкости ЗУ их быстродействие уменьшается.

В соответствии со значениями параметров емкости и быстродействия принято разделение памяти на более быструю – оперативную (основную) память (ОП) и менее быструю – внешнюю память (ВП). Функции ОП выполняют оперативные ЗУ (ОЗУ), функции ВП выполняют разнообразные внешние ЗУ (ВЗУ).

ОЗУ

ПЗУ

СОЗУ

Рг

Самым быстродействующим устройством ЭВМ является процессор. Разница в быстродействии между процессором и памятью велика. Особенно медленной по сравнению с процессором является ВП. Для того чтобы работа процессора не «тормозилась», обмен данными между процессором, ОП и ВП осуществляется через дополнительные уровни памяти, называемые буферными. Таким образом, архитектура машинной памяти содержит несколько уровней. Каждый уровень удовлетворяет определенным требованиям емкости и быстродействия, сглаживая разницу в быстродействии процессора и памяти.

ВП

П р о ц е с с о р

НМД

Б З У

ОП

НМБ

НМЛ

1-й уровень 2-й уровень 3-й уровень 4-й уровень

К первому уровню относится регистровая память (Рг) и сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ). Регистры предназначены для хранения малых объемов информации: адресов, команд и операндов. Регистровая память выполнена на той же элементной базе, что и процессор, обладает таким же высоким быстродействием и обычно входит в состав процессора. СОЗУ хранит данные, к которым чаще всего обращается процессор. Это могут быть, например, операнды и результаты выполнения операций. Быстродействие СОЗУ соизмеримо с быстродействием процессора. Конструктивно СОЗУ может входить в ОЗУ или существовать в виде самостоятельного ЗУ.

Память первого уровня играет роль буфера между ОП и процессором.

Оперативная память образует второй уровень в иерархии машинной памяти. ОЗУ хранят программы и данные, непосредственно участвующие в работе процессора. ОЗУ современных ЭВМ строятся на интегральных схемах, и имеют большую емкость и высокое быстродействие.

Ко второму уровню относится также постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В нем хранится неизменяемая информация, например, различные константы, таблицы, функции, определенные модули ОС. Информацию с ПЗУ в процессе работы ЭВМ можно только считывать.

К третьему уровню относятся буферные ЗУ (БЗУ), использование которых повышает эффективность обмена данными между ВП и ОП. В качестве БЗУ обычно используется специально выделенная область ОП.

Внешняя память образует четвертый уровень архитектуры машинной памяти. Это сравнительно медленная память. На ВЗУ хранятся данные, не используемые в данный момент времени процессором. Широко используются ВЗУ с магнитным носителем информации. К таким устройствам относятся накопители на магнитных дисках (НМД), накопители на магнитных барабанах (НМБ), накопители на магнитных лентах (НМЛ). Широко используются ЗУ с оптическим носителем информации – компакт-диски и флэш-память, построенная на микросхемах. В качестве носителей информации для ВЗУ используются также перфокарты и перфоленты.

Характерной особенность ВП является ее практически неограниченная емкость. Объясняется это тем, что большинство ВЗУ обладает сменными носителями информации, число которых может быть как угодно велико.

Устройства ВП разделяют на устройства с непосредственным (прямым) доступом к данным и устройства с последовательным доступом к данным.

В устройствах первого типа (НМД, НМБ) время доступа к каждой порции информации не зависит от места ее расположения на носителе. Поверхность магнитного диска логически разделена на отдельные участки (концентрические дорожки и секторы). Каждый сектор имеет свой адрес. Доступ к каждой порции информации происходит по адресу того сектора, на котором размещена эта информация. Для чтения с диска не надо просматривать весь диск, читается лишь участок диска с определенным адресом. Поэтому время доступа к данным не зависит от места их расположения на носителе. На CD дорожка спиралевидная, разделенная на адресуемые участки. Эти устройства обладают высоким быстродействием.

В устройствах с последовательным доступом (НМЛ) имеет значение место расположения данных на носителе. При чтении с ленты надо последовательно просматривать ленту до тех пор, пока не будут найдены нужные данные. Эти устройства существенно медленнее.

Обмен данными между ЗУ различных уровней обеспечивает система управления данными, входящая в состав операционной системы ЭВМ.