Structura clasică de cinci blocuri a lui Neumann, considerată anterior, a presupus prezența unui singur dispozitiv de memorie - OP. Totuși, computerele moderne au o structură ierarhică de memorie, fiecare nivel al căruia este caracterizat de viteză și capacitate diferite. Apariția a numeroase niveluri de memorie ierarhic aranjate în primul rând datorită creșterii constante a diferenței în viteza CPU și memorie RAM, care este necesară pentru a compensa creșterea performanței computerului în ansamblu.
În plus, dezvoltarea de software și extinderea gamei de sarcini care trebuie îndeplinite de computere necesită o creștere constantă a volumului de OT. În același timp, este cunoscut faptul că pe parcursul dezvoltării cerințelor de capacitate de memorie de calculator și de viteză au fost contradictorii - cea mai mare viteza, cu punct de vedere tehnic mai dificil și mai scumpe pentru a crește capacitatea. Necesitatea de a menține costurile de memorie de calculator la un nivel rezonabil, precum și o serie de probleme tehnice legate de construcția de mare viteză de memorie de mare volum, și a dus la un proces de evoluție pentru a crea o structură ierarhică a memoriei moderne de calculator.
În ciuda diferențelor semnificative între principiile de funcționare și implementarea tehnică a diferitelor nivele de memorie, există principii generale pentru construirea întregii ierarhii:
- Cu cât este mai aproape de memorie procesorul, cu atât este mai mare viteza și o capacitate mai mică;
- algoritmii de interacțiune ai tuturor nivelurilor de memorie sunt construiți astfel încât numărul de lovituri ale nivelului superior, cu acțiune mai rapidă la nivelul inferior, cu viteză mai mică, învecinat, să fie minim;
- schimbul de informații între nivelele de memorie ierarhică vecine este în majoritatea cazurilor realizat de blocuri de lungime fixă, ceea ce permite accelerarea schimbului datorat implementării hardware a algoritmilor.
În general, memoria computerelor moderne include următoarele nivele ierarhice:
· Memorie supra-arhivată (SOP), care se numește și memorie locală.
· Memoria cache, care de obicei este absentă în cele mai simple dispozitive de procesare. În computerele mai complexe, cache-ul are mai multe nivele, cu cache-ul de nivel superior întotdeauna în chip-ul procesorului.
Memorie cu acces direct la discuri magnetice.
Memorie cu acces seriat pe casete magnetice.
Dispozitivele sunt listate în ordine descrescătoare a creșterii vitezei și volumului.
Luați în considerare, în termeni generali, scopul funcțional al dispozitivelor de memorie descrise în Fig. 4.1.
Memorie operativă (principală), sistem ROM. Numele acestui dispozitiv de memorie (OS) reflectă faptul că procesorul poate funcționa numai cu programe încărcate în OP. Acest principiu a fost folosit ca bază pentru funcționarea primelor computere cu o singură sarcină. În cadrul aceluiași principiu, funcționarea sistemelor moderne multi-tasking cu un singur procesor (sistemele multiprocesoare sunt luate în considerare în ultima parte a acestui curs). Dacă nu există nici o memorie cache, OP servește la stocarea informațiilor utilizate direct în procesul de calcul. De la OP la operanții procesoarelor și comenzile sosesc și rezultatele back-up ale operațiilor executate.
Caracteristicile PO influențează în mod direct caracteristicile calculatorului în general și, în primul rând, performanța acestuia (chiar dacă există o memorie cache).
Volumul de OP depinde de scopul computerului și variază într-un domeniu foarte larg - de la zeci de kilobiți în controlorii simplii la sute de MB. În computerele moderne, OP este întotdeauna realizat pe memorie semiconductor și are un ciclu de timp de nu mai mult de 1-2 μs. (În calculatorul de prima generație, OP a fost construit pentru prima dată pe tuburi electronice, apoi pe inele ferite).
ROM-ul sistemului poate stoca kernel-ul sistemului de operare, utilitare, drivere, programe de utilitate și aplicații etc. Când computerul este pornit sau funcționează, programele scrise în ROM-ul sistemului sunt în majoritatea cazurilor încărcate în memoria RAM (RAM) și apoi procesate numai de procesor.
Memorie overflow. Necesitatea în POS a apărut deja în primele computere, când viteza procesorului a depășit viteza de operare a OP. SOP-urile moderne sunt întotdeauna construite pe semiconductori și reprezintă seturi de registre situate în interiorul cipului procesorului în imediata vecinătate a ALU și UU. Viteza POS ar trebui să corespundă vitezei ALU și procesorului procesorului. Ciclul de acces la SOP este 1-2 cicluri. Volumul de POS este foarte mic. În multe cazuri, SOP este numit și memoria internă a procesorului. Registrele SOP sunt utilizate pentru stocarea temporară a rezultatelor unei operații în ALU, operanzi, constante de serviciu, seturi de instrucțiuni foarte scurte ale programului care este procesat și așa mai departe.
La baza acestuia, POS este o memorie tampon, care este într-o anumită măsură, netezește diferența în CPU performanță și OP. Cu toate acestea, volumul său mic nu permite o soluție acceptabilă pentru problema, astfel încât în procesul de evoluția computerului era alt nivel ierarhic al memoriei tampon, viteza de care este ușor sub PSO, iar capacitatea este mult mai mare.
Memoria cache. Memoria de acest tip este un tampon de mare viteză cu un volum suficient de mare între procesor (memoria sa internă) și un OP relativ lent. Volumul său (cache cu un singur nivel) este de aproximativ 16-256 KB pentru 4-8 MB de OP. Această memorie nu este disponibilă pentru programator (numerar în traducere înseamnă o memorie cache). Memoria cache, după cum sa menționat deja, este situată în imediata vecinătate a procesorului, iar memoria cache a nivelurilor superioare - direct în cipul procesorului. În prezent, cache-ul de nivel superior și SOP sunt de fapt un singur nivel ierarhic al memoriei interne a procesorului. În IBM PC, cache-ul LSI de nivel inferior este localizat pe magistrala procesorului. Informațiile din memoria cache sunt pompate din OP prin blocuri mici, în timp ce blocurile inutile sunt scoase din cache înapoi la OP. Algoritmii de schimbare a memoriei cache și OP sunt foarte stricți și vor fi discutate mai târziu. Prezența cache-ului permite modificarea diferenței de viteză a procesorului și OP. În plus, memoria cache face posibilă, în unele cazuri, să nu întrerupă funcționarea procesorului atunci când se schimbă dispozitive externe cu OP în modul de acces direct (DMA).
Memorie externă. Necesitatea memoriei, a cărei volum a depășit în mod semnificativ dimensiunea OP-ului existent, a apărut în procesul de exploatare a primelor computere. O astfel de memorie ar putea rezolva multe probleme asociate cu introducerea în calculator a programelor mari care nu au putut fi plasate în PO și în special cu stocarea seturilor mari de date. Inițial, ca memorie externă a computerelor folosite pentru a stoca tobe magnetice (NMB) și benzi magnetice (NML). Apoi au fost dezvoltate și create hard disk-uri și discuri magnetice flexibile (HDD), care au început să forțeze NML mai lent. Ulterior au fost create discuri optice și magneto-optice.
În prezent, principalul tip de dispozitiv de memorie externă este AMD. Memoria externă este uneori menționată ca o memorie externă (OVC). NML a început să fie folosit ca arhivă VZU (unități de bandă), destinat stocării în siguranță a informațiilor. Aceeași clasă de VCD-uri include dispozitive de stocare pe discuri optice și magneto-optice. Toate VLU-urile listate au o viteză de mai multe ori mai mică decât OP și informațiile stocate pe acestea nu pot fi procesate direct de procesor. Înainte de procesarea în procesor, informațiile de la UCU trebuie plasate în mod obligatoriu în OP. Capacitatea VZU în unele cazuri pentru un anumit calculator și o problemă specifică poate fi considerată infinită.
Mai jos, considerăm principiile construirii numai a memoriei interne a unui computer.