9. Таблиця 6.1. Характеристики пзпмд

Характеристика	Набір параметрів/ Можливе значення
Переміщення голівки	З фіксованими голівками (одна голівка на доріжку); З рухливими голівками (одна голівка на поверхню)
Можливість зміни носія	Незмінні (жорсткі) диски; Змінні диски, в тому числі гнучкі (флоппі-диски)
Кількість робочих поверхонь	Односторонній диск; Двосторонній диск
Кількість дисків в пакеті	Однодисковий пакет; багатодисковий пакет
Конструкція голівки	Контактна голівка (для флоппі-дисків); Безконтактна голівка з фіксованим зазором; Плаваюча голівка із аеродинамічним регулюванням зазору (диски типу “Вінчестер”)

 

У переважній більшості сучасних носіїв обидві поверхні є робітниками, тобто мають магнітне покриття. Такі диски прийнято називати двосторонніми. У деяких пристроях, випущених досить давно, усе ще використовуються однобічні магнітні диски.

Деякі конструкції ПЗПМД спроектовані в розрахунку на роботу з пакетом магнітних дисків — декількома дисками, надягнутими на одну вісь у кілька ярусів (мал. 6.4). У таких пристроях використовується і відповідна кількість блоків голівок, принаймні по одному на кожен диск у пакеті (або по два, якщо диски двосторонні).

І нарешті, по конструкції електромагнітних голівок ПЗПМД поділяються на три типи. Традиційно застосовувалася конструкція голівки, у якій забезпечувався повітряний зазор фіксованого розміру між нею і поверхнею носія. Але для підвищення щільності запису в деяких пристроях застосовуються контактні голівки, що практично притискаються до поверхні носія. Саме така конструкція використовується в пристроях, які працюють із гнучкими (флоппі-) дисками, що на сьогоднішній день є найдешевшими із застосовуваних у персональних комп'ютерах носіїв інформації.

Щоб зрозуміти, у чому особливість конструкції голівок третього типу, потрібно звернути увагу на зв'язок між щільністю розміщення даних на магнітному носії і розміром повітряного зазору в магнітному ланцюзі голівки. При виконанні операцій запису і читання голівка повинна створювати або уловлювати електромагнітне поле достатньої інтенсивності. Чим ближче голівка до носія, тим менше повітряний зазор у ланцюзі, тим концентрованіше магнітне поле і, отже, менше ширина доріжки. Однак чим ближче голівка до носія, тим велику небезпеку представляють для неї будь-які нерівності поверхні носія або бруд, що потрапив на нього ззовні. Цю задачу удалося вирішити винаходом диска типу "Вінчестер". Даний пристрій являє собою герметизований контейнер, в який вкладені пакет дисків разом з кареткою і голівками. У результаті пристрій і голівки в ньому надійно захищені від забруднення ззовні, і голівки значно ближче, чим у звичайних пристроях, до носія. У пристрої типу "Вінчестер" використовуються так названі голівки, що плавають. Голівка, що плаває, закріплюється в рухливому башмаку, постаченому пружиною, що прагне пригорнути башмак до носія. Однак у клиноподібному повітряному зазорі між башмаком і поверхнею диска, що рухається, виникають аеродинамічні сили, що утримують голівку в мінімальній близькості від носія, але перешкоджають їхньому зіткненню — установлюється рухлива рівновага, що забезпечує найкращі умови для роботи голівки.

 Внутрішня пам'ять

Аналіз різних типів пристроїв збереження інформації набуває систематичний характер, якщо скласти перелік ключових характеристик таких пристроїв і використовувати ці характеристики для класифікації (табл. 6.2).

Таблиця 6.2. Функціональні характеристики запам'ятовуючих пристроїв

Характеристика	Набір параметрів/Можливе значення
Розміщення X X Ємність X Передана порція X Метод доступу X X Продуктивність X x Фізичний тип X x Фізичні характеристики X Організація	Процесор; Внутрішнє; Зовнішнє (вторинна пам'ять) Розмір слова; Кількість слів Слово; Блок Послідовний; Прямий; Довільний; Час доступу; час циклу; швидкість передачі Напівпровідникові мікросхеми; магнітне середовище; Оптичний; Магнітооптичний Енергозалежні/енергонезалежні; Що стираємі/ не стираємі

Розміщення

Запам'ятовуючі пристрої по місту розміщення в системі поділяються на внутрішні і зовнішні. Дуже часто внутрішня пам'ять ототожнюється з оперативною, хоча в цю групу входять і інші типи ЗП. У складі процесора мається невелика локальна пам'ять у виді декількох регістрів. Крім того, як буде показано далі, пристрій керування, що організаційно входить до складу процесора, також має власну внутрішню пам'ять для збереження мікропрограм. Роль і особливості конструкції цих типів ЗП ми розглянемо в наступних главах. Іншим типом внутрішнього ЗП є кешпам’ять, що стала неодмінним компонентом усіх сучасних процесорів. До зовнішніх ЗП відносять периферійні пристрої збереження інформації, такі, як нагромаджувачі на магнітних дисках і стрічках, для доступу до яких процесору потрібно звернутися до відповідного модулю вводу-виводу.

Ємність

Ємність— одна з основних природних характеристик будь-якого ЗП. Загальноприйнятою одиницею виміру інформаційної ємності є 8-бітовий байт, але ємність внутрішніх ЗП, крім того, виміряється й у словах. Довжина слова в сучасних комп'ютерах кратна 1 байт — 1,2 чи 4 байт (8, 16 чи 32 біт). Ємність зовнішньої пам'яті завжди оцінюється в байтах.

Передана порція

При кожнім звертанні до внутрішнього ЗП передається (зчитується з ЗП чи записується в ЗП) визначена порція даних. Як правило, розмір порції відповідає довжині слова ЗП, але це не обов'язково. Чому справа обстоїть саме так, стане зрозуміліше, якщо пояснити зміст трьох взаємозалежних термінів.

• Слово — це "природна" одиниця, що відбиває організаційну структуру ЗП. У більшості комп'ютерів розмір слова оперативної пам'яті дорівнює кількості розрядів, використовуваних для представлення цілого числа і машинної команди, хоча з цього правила існує маса виключень. Наприклад, у комп'ютері CRAY-1 використовується ЗП з довжиною слова 64 біт, а ціле число представляється 24 розрядами. У комп'ютерах сімейства VAX при довжині слова ЗП, рівний 32 біт, машинні команди мають перемінну довжину, кратну 1 байт.

• Адресована одиниця. У багатьох системах адресованою одиницею також є слово, але іноді можна адресувати й окремий байт, хоча слово має довжину 2 байта або більше. У будь-якому випадку між довжиною (розрядністю) коду адреси А і кількістю адресованих одиниць N дотримується співвідношення 2^A=N.

• Передана порція. Для оперативного ЗП цей параметр характеризує кількість бітів інформації, які зчитуються або записуються за один цикл звертання, причому він не обов'язково повинен дорівнювати довжині слова або адресованої одиниці. При звертанні до зовнішніх ЗП передана порція має значну довжину, що набагато перевищує довжину слова, і прийнято говорити, що обмін виконується блоками.

Метод доступу

Розрізняють наступні методи доступу до зберігається в ЗП інформації.

• Послідовний доступ (sequential access). Збережена інформація розділена на елементи, називані записами (records). Крім власне даних зберігається і додаткова адресна інформація, що служить для поділу записів і використовується в процесі пошуку потрібного запису. Для доступу використовується сполучений механізм читання, що переключає запис, який переміщається з поточного положення до потрібного запису, проходячи всі проміжні. У результаті час доступу до потрібного запису може змінюватися в досить широких межах і залежить від вихідного положення механізму читання/запису і положення шуканого запису. Послідовний доступ характерний для деяких конструкцій зовнішніх ЗП, зокрема — нагромаджувачів на магнітній стрічці.

• Прямий доступ (direct access). Як і при послідовному доступі, при прямому використовується сполучений механізм читання/запису. Але кожен запис має свою унікальну адресу, що відповідає її фізичному положенню на носії. Доступ здійснюється прямим звертанням до зони носія, в якому знаходиться адресований запис, і далі послідовно проглядаються записи усередині цієї зони, поки механізм читання/запису не буде сполучений із шуканим записом. Час доступу до довільного запису змінний, хоча розкид значень і не так значний, як при послідовному доступі. Прямий доступ реалізований у конструкціях тих зовнішніх ЗП, що використовують як носії інформації - диски з концентричними доріжками.

• Довільний доступ (random access). Кожна адресована одиниця має свій вбудований механізм адресації. Час доступу до будь-якої одиниці (осередку) не залежить від передісторії і від адреси цього осередку. Таким чином, можливий безпосередній доступ до осередків у довільному порядку з мінімальними втратами часу. Саме такий спосіб доступу використовується в оперативних ЗП. У деяких конструкціях кеш-пам'яті також використовується механізм довільного доступу.

• Асоціативний доступ (associative access). Існують такі ЗП з довільним доступом, що оснащені вбудованим механізмом порівняння визначених бітів у кожнім осередку з заданим зразком, причому порівняння виконується по всіх осередках одночасно. Таким чином, потрібний осередок відшукується не стільки по своїй фізичній адресі, скільки по вмісту. Як і в звичайному ЗП з довільним доступом, час доступу не залежить від адреси чи осередку передісторії. Такий метод доступу одержує усе більше поширення в конструкціях блоків кеш-пам'яті.

Продуктивність ЗП

З погляду конструктора обчислювальної системи найбільш важливими характеристиками ЗП є інформаційна ємність і продуктивність. Для оцінки продуктивності використовується три параметри.

• Час доступу (access time). Для ЗП з довільним доступом цей параметр характеризує час виконання операцій читання або запису, і виміряється як тривалість тимчасового інтервалу між моментом, коли в пристрій передана адреса, і моментом, коли дані зафіксовані в пам'яті (при виконанні запису) або коли ними може скористатися інший пристрій комп'ютера (при виконанні читання). Для ЗП з послідовним чи прямим доступом цей параметр характеризує час, необхідний для переводу механізма читання/запису в потрібну позицію стосовно носія інформації.

• Тривалість циклу звертання до пам'яті (memory cycle time). Цей параметр характеризує ЗП з довільним доступом. Він виміряється мінімальною тривалістю тимчасового інтервалу між послідовними сеансами доступу до пам'яті. Таким чином, час циклу включає час доступу плюс час виконання додаткових операцій, зв'язаних з підготовкою пристрою до наступного звертання. Ці додаткові операції залежать від типу конструкції пристрою — одному потрібно якийсь час для скидання сигналів на лініях, а іншим може знадобитися відновлення інформації в запам'ятовуючому елементі після її зчитування (так називані ЗП з руйнуванням інформації при зчитуванні).

Іноді в літературі можна зустріти еквівалентний йому термін "час звертання".

• Швидкість передачі (transfer rate). Цей параметр характеризує інтенсивність інформаційного потоку між ЗП і тими пристроями, що мають потребу в інформації, що зберігається в ньому. Для ЗП з довільним доступом швидкість передачі є величиною, зворотною тривалості циклу звертання. Для ЗП з послідовним чи прямим доступом справедливе співвідношення:

T_N = Т_А + NR

де

T_N — середній час чи читання запису блоку даних обсягом у N біт; Т_А — середній час доступу для даного ЗП; N — обсяг блоку даних (біт); R — швидкість передачі (біт/с).

Фізичні типи ЗП

Історія конструювання засобів збереження інформації нараховує стільки ж років, скільки й історія електронної обчислювальної техніки. За цей час були створені ЗП на основі самих різних фізичних явищ. В даний час із усієї розмаїтості конструкцій на практиці застосовуються чотири типи ЗП (точніше, чотири типи фізичних носіїв інформації):

• напівпровідникові, у яких збереження інформації виробляється або в електронних елементах із двома стійкими станами, або в запам'ятовуючих напівпровідникових ємностях;

• магнітні, де для збереження використовується ефект перемагнічування магнітного матеріалу, нанесеного на яку-небудь поверхню (стрічку, диск, барабан і т.п.);

• оптичні;

• магнітооптичні.

Конструктора системи дуже цікавить така характеристика фізичного типу носіїв інформації, як можливість збереження інформації при відключенні живлення (цей параметр одержав назву "енергонезалежність" ЗП). Усі магнітні, оптичні і магнітооптичні ЗП (точніше, носії інформації) є енергонезалежними. Що стосується напівпровідникових ЗП, то більшість їхніх конструкцій вимагає наявності електроживлення для збереження інформації, але існують і спеціальні конструкції, що зберігають інформацію при відключенні живлення. Серед останніх особливе місце приділяється постійним ЗП, або — у сучасній термінології — ROM-пам'яті (read only memory). Інформація в ROM-пам'ять записується на стадії виготовлення компонента або включення його в комп'ютерну систему, а потім може тільки зчитуватися.

Ієрархія пам'яті в комп'ютерній системі

Розуміння, якими керується конструктор обчислювальної системи при проектуванні підсистеми пам'яті, можна звести до пошуку відповідей на три питання: "Який обсяг?", "Яка швидкодія?", "Скільки буде коштувати?"

Відповідь на перше питання залежить від того, на виконання якого типу додатків орієнтується створювана система. Програмісти завжди вважають, що чим більший обсяг пам'яті може бути використаний створюваною програмою, тим краще. Небагато більш визначеним може бути відповідь на друге питання, про швидкодію. Для того щоб система мала максимальну продуктивність, можливу при даному типі процесора, швидкодія пам'яті повинна бути такою, щоб забезпечити його повне завантаження, тобто процесор не повинний простоювати, очікуючи, поки з пам'яті будуть витягнуті необхідні для його роботи дані. Що ж стосується відповіді на третє питання, то вартість підсистеми пам'яті повинна бути порівнянна з вартістю інших компонентів системи.

Природно, що всі ці параметри підсистеми взаємозалежні. Для нинішнього етапу розвитку технології характерно таке відношення між ними:

•чим вище швидкодія, тим вище відносна вартість ЗП (у перерахуванні на біт збереженої інформації);

•чим більше обсяг пам'яті в системі, тим нижче відносна вартість ЗП;

•чим більше обсяг пам'яті в системі, тим нижче швидкодія.

Я думаю, що суть дилеми, яка стоїть перед конструктором, досить очевидна. З одного боку, бажано використовувати таку технологію збереження інформації, що дозволить включити до складу системи ЗП можливо більшого обсягу, оскільки при цьому знижується відносна вартість збереження. Але, з іншого боку, вимога забезпечити необхідну продуктивність, особливо на стику "процесор-пам'ять", змушує його використовувати блоки щодо невеликого обсягу, що володіють необхідною швидкодією.

Розв’язати цю дилему можна, включивши до складу системи декілька ЗП, у яких використовується різна технологія збереження інформації, і створивши в такий спосіб у системі деяку ієрархію пам'яті. Типова ієрархія схематично представлена на мал. 6.5. У міру переходу від верхнього рівня ієрархії до нижнього спостерігається наступна зміна характеристик ЗП:

• знижується відносна вартість збереження інформації;

• підвищується ємність окремого модуля;

• збільшується час доступу;

• знижується частота звертання до пам'яті з боку процесора.

Таким чином, менш ємні, але більш швидкісні ЗП доповнюються менш швидкодіючими пристроями, але зате мають більшу ємність. Ключовим питанням, рішення якого забезпечує успіх проекту, є організація потоків інформації в системі, що забезпечує по мірі переходу від пристроїв верхніх рівнів ієрархії до пристроїв нижніх рівнів зниження ітенсивності звертань до ЗП з боку процесора.

Припустимо, що процесор у системі може звертатися до пам'яті двох рівнів. Пам'ять 1-го рівня містить 1000 слів і має час доступу 0.1 мкс, а пам'ять 2-го рівня — 100 000 слів і час доступу 1 мкс. Припустимо, що якщо потрібне слово знаходиться в пам'яті 1-го рівня, то процесор витягає його безпосередньо, а якщо в пам'яті 2-го рівня, то викликане слово спочатку записується в пам'ять 1-го рівня, а вже відтіля його витягає процесор. Для простоти аналізу не будемо враховувати час, необхідний процесору для того, щоб з'ясувати, де саме знаходиться шукане слово, — у пам'яті 1-го чи 2-го рівня. На мал. 6.6 показаний вид типової залежності між середнім часом доступу і розподілом запитів між пристроями двох рівнів. Параметр Я характеризує частку запитів до пам'яті 1-го рівня (тобто до кеш-пам'яті) у всьому потоці запитів, параметр ti — час доступу до пам'яті 1-го рівня, а Т₂ — час доступу до пам'яті 2-го рівня. Немає нічого несподіваного в тому, що чим вище значення Я, тобто чим більша частина всіх звертань процесора за даними приходиться на кеш-пам'ять, тим менше середній час звертання до інтегрованої підсистеми пам'яті, тим ближче воно до значення 7.

Припустимо, що 95% усіх звертань приходиться на кеш-пам'ять. Тоді середній час витягу одного слова з підсистеми пам'яті визначиться в такий спосіб:

(0.95 х 0.1 мкс) + (0.05)(0.1 мкс + 1 мкс) = 0.095+0.055 = 0.15 мкс.

Отже, із всього сказаного випливає, що концепція ієрархічної організації пам'яті в принципі є досить здорової, але принесе практичний успіх лише в тому випадку, якщо при конструюванні системи будуть прийняті до уваги кількісні характеристики ЗП різних рівнів.

Серед існуючих на сьогоднішній день типів ЗП, створених на основі різних технологій, не так вже складно підібрати ряд, що володіє першими трьома властивостями. Що стосується четвертої властивості, зниження частоти звертання з боку процесора до пам'яті нижнього рівня, то конструктор також може реалізувати його в системі, не звертаючись до великих хитрувань. Потрібно лише при структурному синтезі системи враховувати властивість локалізації посилань. У процесі виконання фрагментів програми посилання на комірки пам'яті, у яких зберігаються команди і дані, мають тенденцію "скопичуватися" у визначених підпросторах адрес — кластерах. У програмі, як правило, мається безліч ітераційних процедур і підпрограм. Після входу в таку ітераційну процедуру, чи підпрограму починає виконуватися повторювана послідовність команд, компактно розміщених у пам'яті. Точно так само обробка масивів чи таблиць сполучена зі звертанням до комірок пам'яті, компактно розміщених у загальному адресованому просторі. Перехід же від одного кластера до іншого відбувається відносно рідко, тобто рідше, ніж звертання до осередків з того самого кластера.

Отже, можна так розподілити інформацію між ЗП різного рівня ієрархії, що частка звертань до пам'яті нижніх рівнів ієрархії буде менше, ніж звертань до пам'яті верхніх рівнів. Повернемося знову до нашого прикладу з дворівневою пам'яттю. Припустимо, що всі команди і дані програми зберігаються в ЗП 2-го рівня. Тимчасово скопіюємо поточні кластери в ЗП 1-го рівня. Час від часу один зі скопійованих (і, можливо, змінених у процесі виконання програми) кластерів потрібно буде повертати назад у ЗП 2-го рівня, а в "вікно, що утворилося," копіювати інший кластер. Але середньостатистична більшість звертань у ході виконання програми прийдеться на ті кластери, що уже присутні в ЗП 1-го рівня.

Цей же принцип можна застосувати й у системі, що має не два, а три або більше ЗП різних рівнів. Найшвидшою, але і самою маленькою по обсязі, а також самою дорогою (стосовно обсягу збереженої інформації) буде пам'ять, що складається з внутрішніх регістрів процесора. Як правило, кількість таких регістрів обмежується декількома десятками, хоча існують і процесори, що включають сотні регістрів. Двома рівнями нижче знаходиться оперативна (чи основна) пам'ять комп'ютерної системи. Кожен осередок оперативної пам'яті має унікальний атрибут — адресу, причому в машинних командах для ідентифікації значної більшості оброблюваних даних використовується саме адреса відповідного елемента в оперативній пам'яті. У сучасних комп'ютерах вище оперативної пам'яті в ієрархії розміщається кеш-пам'ять, що має значно меншу ємність, чим оперативна (і значно більшу, ніж набір внутрішніх регістрів процесора), але володіє на порядок більшою швидкодією. Кеш-пам'ять звичайно схована від програміста, тобто він ніяк не керує з програми розміщенням даних у кеш-пам’яті або звертанням до неї. Цей проміжний ЗП "тримає напоготові" дані і команди програми, що, швидше за все, можуть найближчим часом знадобитися процесору, і в такий спосіб "згладжує" потік інформації між регістрами процесора й оперативною пам'яттю.

ЗП, що виконують в обчислювальній системі роль пам'яті перших рівнів ієрархії, як правило по своїй конструкції є напівпровідниковими енергозалежними пристроями. Але кожний з них звичайно виготовляється за своєю технологією, що забезпечує оптимальне співвідношення між ємністю, швидкістю і вартістю для пам'яті даного рівня. Для більш тривалого збереження інформації використовуються зовнішні пристрої пам'яті великого обсягу (останнім часом стосовно таких пристроїв дуже часто використовується термін масова пам'ять — mass storage) — найчастіше тверді незнімні магнітні диски, що доповнюються пристроями зі знімними носіями — магнітними, оптичними і магнітооптичними дисками і магнітною стрічкою. В зовнішніх ЗП зберігаються файли виконуваних програм і оброблюваних даних, і, як правило, програміст звертається до цієї інформації в термінах файлів або окремих записів, а не в термінах окремих байтів або слів.

Ми перелічили далеко не всі типи ЗП, використовувані в сучасних системах для організації багаторівневої підсистеми пам'яті. У великих машинах фірми IBM мається внутрішня пам'ять, що у документації названа розширеною пам'яттю (expanded storage). Таку розширену пам'ять використовують модулі напівпровідникової пам'яті, щоправда, менш швидкодіючі і, відповідно, менш дорогі, ніж в оперативному ЗП. Строго говорячи, це не окремий рівень ієрархії, а "бічна галузь", оскільки дані з розширеної пам'яті можуть передаватися в оперативну і навпаки, але не можуть передаватися в зовнішню пам'ять.

Ієрархічні рівні можуть бути організовані не тільки за допомогою включення до складу технічних засобів системи тих чи інших пристроїв, але і програмно. Частина основної внутрішньої пам'яті може бути використана операційною системою як буфер при обміні даними між напівпровідниковою оперативною і зовнішньою дисковою пам'яттю. Така методика, для якої винайдений спеціальний термін "дисковий кеш" (disk cache), сприяє деякому підвищенню продуктивності системи по двох причинах.

1. Записи на дисках мають чітко виражену кластерну структуру. Буферизація дозволяє передавати дані великими порціями, приблизно рівними кластеру, замість того, щоб відправляти їх дрібними порціями, "смикаючи" щораз механізм приводу диска.

2. Деякі дані, призначені для запису на диск, можуть неодноразово запитуватися програмою (так часто відбувається при роботі з фрагментами баз даних). Тому бажано як можна довше зберігати їх у швидкій напівпровідниковій пам'яті, а не зчитувати щораз з диска.

Контрольні питання:

1. Фізичний принцип запису на магнітний диск

2. Організація даних на магнітному диску.

3. Характеристики пристроїв зовнішньої пам’яті на магнітних дисках.

4. Формат доріжки диску.

5. Конструкція магнітному диску.

6. Функціональні характеристики запам’ятовуючих пристроїв.

7. Ієрархія пам’яті в комп’ютерній системі.

8. Методи доступу до пам’яті. Їх характеристики.