Иерархия памяти

На общее время решения задачи влияет время выполнения арифметических операций и время взаимодей­ствия с памятью.

Главное требование к памяти — обеспечение малого времени доступа к отдельным словам. Оно должно быть намного меньше, чем время выполнения операций над словами, или соизмеримым с ним. Ту часть памяти, для которой выполняется это условие, называют быстрой, остальную — медленной. Большая часть быстрой образует адресуемую память (оперативную память, соответствующее техническое устройство называется оперативным запоминающим устройством), меньшая — неадресуемую. В адресуемой памяти каждое слово имеет адрес. Эта часть памяти доступна пользователю. Работая с ней, можно как записывать информацию, так и считывать.

Неадресуемая память недоступна пользователям. В ней различают постоянную память и сверхбыструю память. В постоянную память ничего нельзя записать, но из нее можно многократно считывать записанную ранее информацию. Обычно в ней хранятся команды запуска компьютера, различные служебные программы и т. п. Использование оптических технологий открывает возможность создания постоянной памяти огромных размеров.

Сверхбыстрая память отличается от оперативной существенно меньшим временем доступа и имеет 1—2 уровня. Самый быстрый уровень — это регистровая память. Она имеет очень небольшой объем, измеряемый единицами или десятками слов. В ней хранятся те результаты выполнения операции, которые необходимы для реализации команды, непосредственно следующей за исполняемой. Регистровая память является неотъемлемой частью АЛУ. Почти такой же быстрой оказывается кэш-память - часть архитектуры устройства или программного обеспечения, осуществляющая хранение часто используемых данных для более быстрого доступа. Она является своеобразным буфером между регистровой памятью и оперативной памятью. В ней хранится содержимое областей памяти, часто используемых процессором. Разделяется на несколько уровней, различающихся скоростью и объёмом. Управляет использованием сверхбыстрой памяти устройство управления.

ОЗУ делают иерархическим, что соответствует делению памяти на кубы, блоки, секции, страницы и т. п. Чем выше уровень иерархии, тем меньше разброс времен доступа к отдельным словам одного раздела памяти данного уровня. На самом высоком уровне выделяют группы слов, доступ к которым может быть осуществлен или одновременно, или с минимальной разностью времен. Чаще всего это слова с последовательными физическими адресами или адресами, меняющимися с постоянным шагом.

Таким образом, стремление сделать оперативную память "обыкновенного" компьютера достаточно большой приводит к усложнению ее структуры. В свою очередь, это неизбежно увеличивает разброс времен доступа к отдельным словам.

На современных компьютерах медленная память чаще всего реализуется на жестких дисках. Ее размеры во много раз больше размеров оперативной памяти. Однако во много раз больше у нее и время доступа. При решении предельно больших задач основную часть данных неизбежно приходится хранить в медленной памяти. Но в любом компьютере операции выполняются лишь над данными, находящимися в быстрой памяти. Поэто­му в процессе решения больших задач нужно обязательно и, как правило, многократно переносить данные из медленной памяти в быструю и обратно. Это означает, что время решения больших задач определяется двумя составляющими: временем выполнения операций алгоритма и временем осуществления обменов между медленной и быстрой памятью.

Квалифицированная организация обменов между медленной и быстрой памятью базируется на трех основных принципах: обращаться к медленной памяти как можно реже, переносить за обмен как можно больше данных, при каждом переносе в быструю память обрабатывать данные как можно дольше. Осуществить оптимальный баланс этих принципов — трудная задача. Чтобы не думать о ее решении, пользователю нередко предлагается работать с виртуальной памятью. Эта память условная. Виртуальная память – технология управления памятью ЭВМ. Для нее может быть разработана система правил предпочтительного размещения данных. Как конкретно отображается виртуальная память на физическую и как в действительности организуются обмены между медленной и быстрой памятью, зависит от соответствующих алгоритмов, заложенных в операционную систему. Отсюда следует, что при решении больших задач нельзя безоговорочно доверять организацию обменов с медленной памятью операционной системе. Сначала лучше проверить качество ее работы.