• Иерархическая структура памяти

• ЗУ различных типов, в зависимости от характеристик, относят к определенному уровню иерархии. Более высокий уровень меньше по емкости, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на бит, чем более низкий уровень.

• Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.

• Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени используются только два близлежащих уровня.

• Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню памяти называются соответственно попаданием (hit) или промахом (miss).

• Время обращения при попадании (hit time) есть время обращения к более высокому уровню иерархии, которое включает в себя, в частности, и время, необходимое для определения того, является ли обращение попаданием или промахом.

• Потери на промах (miss penalty) есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство.

• Очевидно, что при низком коэффициенте попаданий быстродействие иерархической структуры будет стремиться к быстродействию самого низкого, медленного уровня иерархии

• С очень высокой вероятностью адрес очередной команды программы либо следует непосредственно за адресом, по которому была считана текущая команда, либо расположен вблизи него. Такое расположение адресов называется пространственной локальностью программы.

• Обрабатываемые данные, как правило, структурированы, и обычно хранятся в последовательных ячейках памяти. Данная особенность называется пространственной локальностью данных.

• Программы содержат множество небольших циклов и подпрограмм, при этом небольшие, локально расположенные наборы команд могут многократно повторяться в течение некоторого интервала времени. Данная особенность называется временной локальностью программы.

  

• Все три вида локальности объединяет понятие локальности по обращению. Часто принцип локальности представляют в виде так называемого правила «90/10», означающего, что 90% времени работы программы связано с доступом к 10% адресного пространства этой программы.

• Самый быстрый, но и минимальный по емкости тип памяти — это внутренние регистры процессора, которые иногда объединяют понятием сверхоперативное запоминающее устройство— СОЗУ.

• Кэш-память, объем которой составляет от 32 Кбайт до нескольких мегабайтов. Уровни кэш-памяти обозначаются буквой L и номером уровня. Каждый последующий уровень кэш-памяти имеет большую емкость и меньшее быстродействие по сравнению с предыдущим.

• СОЗУ, кэш-память и ОП образуют внутреннюю память ЭВМ.

• Основная память может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Состоит из оперативной памяти, постоянного запоминающего устройства и буферных запоминающих устройств.

  • Оперативные ЗУ (ОЗУ) предназначены для хранения данных и программ текущих вычислений, а также программ, к которым следует быстро перейти, если в ходе вычислительного процесса возникло прерывание.

  • Постоянная память используется для энергонезависимого хранения системной информации. Эта память при обычной работе компьютера только считывается, поэтому ее название - ROM (Read Only Memory).

  • Буферная память различных адаптеров и контроллеров. Специфическим типом буферной памяти является видеопамять дисплейного адаптера — к ней производятся интенсивные обращения со стороны центрального процессора и графического акселератора одновременно с непрерывным процессом регенерации изображения.

• Долговременное хранение больших объемов информации (программ и данных) обеспечивается внешними ЗУ, среди которых наиболее распространены запоминающие устройства на базе магнитных и оптических дисков, а также магнитоленточные ЗУ.

• Еще один уровень иерархии может быть добавлен между основной памятью и дисками. Этот уровень носит название дисковой кэш-памяти и реализуется в виде самостоятельного ЗУ, включаемого в состав магнитного диска. Дисковая кэш-память существенно улучшает производительность при обмене информацией между дисками и основной памятью.

• Иерархическое построение памяти характеризуется следующими положениями:

  • Имеется несколько иерархических уровней хранения организованной в блоки информации;

  • Иерархические уровни памяти отличаются по быстродействию и емкости;

  • Первое обращение к блоку информации приводит к перемещению блока с более медленного уровня иерархии на более быстрый. За счет принципа локальности по обращению, последующие обращения к этому блоку приводят к выборке только из быстродействующей памяти;

  • Иерархической памяти свойственно уменьшение среднего времени обслуживания ЦП.

• Для оптимизации структуры управления памятью необходимо:

  • уменьшить вероятность промаха;

  • уменьшить время выборки информации из памяти более высокого уровня;

  • сократить время пересылки информации из памяти более низкого уровня в память более высокого уровня и обратно;

  • обеспечить целостность данных на всех уровнях иерархии, в том числе и для случая многопроцессорных ВС.