Способы организации памяти на различных уровнях иерархии ЗУ

Иерархия запоминающих устройств.

Память вычислительной машины представляет собой иерархию запоминающих устройств (внутренние регистры процессора, различные типы сверхоперативной и оперативной памяти, диски, ленты), отличающихся средним временем доступа и стоимостью хранения данных в расчете на один бит (рисунок 1). Пользователю хотелось бы иметь и недорогую и быструю память. Кэш-память представляет некоторое компромиссное решение этой проблемы.

Рис. 1. Иерархия ЗУ

Кэш-память - это способ организации совместного функционирования двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования в "быстрое" ЗУ наиболее часто используемой информации из "медленного" ЗУ.

В системах, оснащенных кэш-памятью, каждый запрос к оперативной памяти выполняется в соответствии со следующим алгоритмом:

1. Просматривается содержимое кэш-памяти с целью определения, не находятся ли нужные данные в кэш-памяти; кэш-память не является адресуемой, поэтому поиск нужных данных осуществляется по содержимому - значению поля "адрес в оперативной памяти", взятому из запроса.

2. Если данные обнаруживаются в кэш-памяти, то они считываются из нее, и результат передается в процессор.

Если нужных данных нет, то они вместе со своим адресом копируются из оперативной памяти в кэш-память, и результат выполнения запроса передается в процессор. При копировании данных может оказаться, что в кэш-памяти нет свободного места, тогда выбираются данные, к которым в последний период было меньше всего обращений, для вытеснения из кэш-памяти. Если вытесняемые данные были модифицированы за время нахождения в кэш-памяти, то они переписываются в оперативную память. Если же эти данные не были модифицированы, то их место в кэш-памяти объявляется свободным.

Основная память. Первые 640 Кб доступной памяти компьютера традиционно содержат программы DOS, драйверы устройств, резидентные программы, плюс их данные. Таким образом, чем меньше па­мяти занимает операционная система, тем больше её останется для других программ.

Верхняя память. Следующие 384 Кб памяти зарезервированы для служебного использования компьютером. Это верхняя память (UMA). Здесь располагаются: - Область, используемая для работы с данными и командами, передаваемыми на адаптер дисплея; - Область, предназначенная для использования в качестве резерва для адаптеров, которые используют собственные модули ROM BIOS и /или специальное ОЗУ, разделяемое с системной шиной; - Область, зарезервированная для инструкций базовой системы ввода-вывода.

Расширенная память. Память выше 1 Мб известна как расширенная память (XMA). В реальном режиме MS DOS эту память использовать нельзя, за исключением организации в ней электронных дисков и кэшей. Реально обращаться к расширенной памяти можно только в защищённом режиме, который используется операционными системами OS/2 и Windows95.

Старшая память. Первые 64 Кб расширенной памяти, используемой только 286-, 386-ми и выше компьютерами, доступны так, как будто это память до 1 Мб. До сих пор нет единого мнения: шутка это разработчиков процессора или ошибка в конструкции микросхемы. Как бы то ни было, эту область DOS может использовать, освобождая место для программ в основной памяти. Называется она старшей, или высокой, памятью (HMA). Иными словами, это – расширенная память, которая может быть доступна в реальном режиме. Задействовать её можно только с помощью драйвера HIMEM.SYS.

Дополнительная память. Во время PC памяти объёмом 640 Кб было, в общем, достаточно. Встречались, однако, приложения, которым этой памяти чуть-чуть не хватало.

Виртуальная память. Виртуальная память – не память. Но пространство жёсткого диска, временно размеченное как продолжение расширенной памяти. Это прямая противоположность электронным дискам: здесь виртуальные имитаторы «жёстких» устройств – дисков создаются в памяти. В Windows и DOS 7 виртуальная память используется для размещения файлов подкачки, используемых, когда физическая память уже исчерпана. При использовании виртуальной памяти имеет место некоторое снижение быстродействия за счёт дискового ввода-вывода, но она весьма полезна для поддержки многозадачного режима в условиях ограниченной физической памяти ПК.