Урок 13
Процессор. Память. Устройства ввода и вывода
§34. Процессор. §35. Память. §36. Устройства ввода. §37. Устройства вывода
Содержание урока
§34. Процессор
§35. Память
Взаимодействие разных видов памяти
Основные характеристики памяти
§36. Устройства ввода
§37. Устройства вывода
§35. Память
Взаимодействие разных видов памяти
Итак, мы познакомились с разными видами внутренней и внешней памяти. Осталось разобраться, как они взаимодействуют между собой.
Иерархия памяти. Кэширование. Как следует из обсуждения в § 32, невозможно создать память, которая имела бы одновременно большой объём и высокое быстродействие. Поэтому используют многоуровневую (иерархическую) систему из нескольких типов памяти. Как правило, чем больший объём имеет память, тем медленнее она работает.
Самая быстрая (и очень небольшая) память — это регистры процессора. Гораздо больше по объёму, но заметно медленнее внутренняя память (ОЗУ и ПЗУ). Далее следует огромная, но ещё более медленная внешняя память. Наконец, последний уровень — это данные, которые можно получить из компьютерных сетей (рис. 5.19).
Рис. 5.19
Для редактирования файла, расположенного на диске (внешняя память), программа обработки загружает его в ОЗУ (внутренняя память), а конкретные символы, с которыми в данные доли секунды работает процессор, «поднимаются» по иерархии выше — в регистры процессора.
Производительность компьютера в первую очередь зависит от «верхних» уровней памяти — процессорной памяти и ОЗУ. Быстродействие процессоров значительно выше, чем скорость работы ОЗУ, поэтому процессору приходится ждать, пока до него дойдут данные из оперативной памяти. Чтобы улучшить ситуацию, между процессором и ОЗУ добавляют ещё один слой памяти, который называют кэш-памятью, или кэшем (от англ, cache — тайник, прятать).
Кэш-память — это память, ускоряющая работу другого (более медленного) типа памяти, за счёт сохранения прочитанных данных на случай повторного обращения к ним.
Кэш-память — это статическая память, которая работает значительно быстрее динамического ОЗУ. В ней нет собственных адресов, она работает не по фон-неймановскому принципу адресности.
При чтении из ОЗУ процессор обращается к контроллеру кэш-памяти, который хранит список всех ячеек ОЗУ, копии которых находятся в кэше. Если требуемый адрес уже есть в этом списке, то запрашивать ОЗУ не нужно и контроллер передаёт процессору значение, связанное (ассоциированное) с этим адресом (рис. 5.20)1. Такой принцип организации памяти называется ассоциативным.
1 Это напоминает поиск в Интернете содержимого документа по его названию.
Если нужных данных нет в кэш-памяти, они читаются из ОЗУ, но одновременно попадают и в кэш — при следующем обращении их уже не нужно читать из ОЗУ.
Рис. 5.20
Обычно в кэш-память заносится содержимое не только запрошенной ячейки, но и ближайших к ней (эта стрелка на рис. 5.20 показана более толстой). Таким образом, в кэше хранятся копии часто используемых ячеек ОЗУ, и передача этих данных в процессор происходит быстрее.
В работе кэш-памяти есть две основные трудности. Во-первых, объём кэша намного меньше объёма ОЗУ, и он быстро заполняется — приходится заменять наиболее «ненужные» (например, редко используемые) данные. Во-вторых, если считанные из кэш-памяти данные обрабатываются процессором и сохраняются в ОЗУ, нужно обновлять и содержимое кэша. Обе эти задачи решает контроллер кэш-памяти. Несмотря на трудности, кэширование во многих случаях повышает скорость выполнения программы в несколько раз.
Сама кэш-память также строится по многоуровневой схеме: в современных процессорах есть, по крайней мере, 2-3 уровня. Некоторые из них входят в состав процессора, а остальные выполнены в виде отдельных микросхем (поэтому на схеме многоуровневой памяти на рис. 5.19 кэш только частично расположен внутри процессора). Кэш для программ и для данных изготовляется раздельно. Это удобно потому, что считываемую программу, в отличие от данных, не принято изменять, поэтому кэш команд можно делать проще.
Подчеркнём, что термин «кэширование» в вычислительной технике имеет довольно широкий смысл: речь идёт о сохранении информации в более быстродействующей памяти с целью повторного использования. Например, браузер кэширует файлы, полученные из Интернета, сохраняя их на жёстком диске в специальной папке. В накопителе на жёстком диске также используется кэширование. Таким образом, кэш может быть организован как с помощью аппаратных средств (кэш процессора), так и программно (кэш браузера).
Виртуальная память. Пользователям хочется, чтобы программное обеспечение было интеллектуальным и дружественным и чтобы в нём были предусмотрены все самые мелкие детали, которые им могут потребоваться. Программистам хочется написать программу с наименьшими затратами сил и времени, поэтому они широко используют среды быстрой разработки программ (англ. RAD — Rapid. Application Development). В результате программы всё больше увеличиваются в размере. Кроме того, объём обрабатываемых данных постоянно растёт. Поэтому компьютерам требуется все больше и больше памяти, особенно в многозадачном режиме, когда одновременно запускаются сразу несколько программ.
Как же согласовать эти требования с ограниченным объёмом ОЗУ? Современные операционные системы используют для этого идею виртуальной памяти. Предполагается, что компьютер обладает максимально допустимым объёмом памяти, с которым может работать процессор, а реально установленное ОЗУ — лишь некоторая часть этого пространства. Оставшаяся часть размещается в специальном системном файле или отдельном разделе жёсткого диска. Если ёмкости ОЗУ не хватает для очередной задачи, система копирует «наименее нужную» (дольше всего не использовавшуюся) часть ОЗУ на диск, освобождая необходимый объём памяти. Когда, наоборот, потребуются данные с диска, они будут возвращены в освобожденное таким же образом место ОЗУ (и это совсем не обязательно будет то самое первоначальное место!).
При использовании виртуальной памяти выполнение программ замедляется, но зато они могут выполняться на компьютере с недостаточным объёмом ОЗУ. В этом случае установка дополнительного ОЗУ может повысить быстродействие во много раз.
Использование виртуальной памяти ещё раз подтверждает, что деление памяти на внутреннюю и внешнюю память — это искусственная мера. Она вызвана тем, что невозможно создать идеальную память, удовлетворяющую всем требованиям сразу.
Следующая страница 
Основные характеристики памяти
Cкачать материалы урока
