2.2 Иерархия памяти компьютера

Иерархия памяти – термин, используемый в вычислительной технике при проектировании и программировании ЭВМ, он означает, что различные виды памяти образуют иерархию, на различных уровнях которой расположены устройства памяти с отличающимся временем доступа, сложностью, ёмкостью, стоимостью (рис. 2.1).

Рис. 2.1 – Пирамида иерархии компьютерной памяти (Рег. – регистры процессора)

Возможность построения иерархии памяти вызвана тем, что большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещен в более быструю, но дорогую и поэтому небольшую память. Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительной системы. Под памятью в данном случае понимается устройство хранения данных (запоминающее устройство).

Итак, в пирамиде иерархии, чем выше уровень памяти, тем выше её быстродействие, но меньше ёмкость.

Далее представим определения и рассмотрим различные виды памяти.

Регистры процессора – это небольшой блок высокоскоростной памяти в составе центрального процессора. Перед обработкой любые данные обязательно помещаются в регистры. Например, если два числа умножаются, то они должны находиться в регистрах, и результат отправляется тоже в регистр. Кроме того, регистр может содержать не само число, а адрес ячейки памяти, где оно хранится. Количество регистров, доступных центральному процессору, и размер каждого из них (количество разрядов) позволяют определить скорость и производительность процессора. Например, в 32-разрядном процессоре каждая команда процессора обрабатывает двоичные данные длиной в 32 разряда. Как правило, работа с регистрами недоступна для пользователей и даже для программистов. Только программы на языке ассемблера могут манипулировать регистрами. В языках высокого уровня компилятор отвечает за перевод операций с высокого уровня в низкоуровневые операции, имеющие доступ к регистрам. Регистры, как правило, имеют иной механизм адресации, чем в основной памяти, но в некоторых случаях могут быть отображены в память.

Основная память (ОП, англ. main storage) – оперативная память центрального процессора или ее часть, представляющая единое пространство памяти [4].

Оперативная память (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) предназначена для хранения информации, к которой приходится часто обращаться, и обеспечивает режимы ее записи, считывания и хранения (рис. 2.2). Этот вид памяти называют также памятью с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM). На сегодня наибольшее распространение получили два вида ОЗУ: SRAM (Static RAM) и DRAM (Dynamic RAM).

Рис. 2.2 – Внешний вид модуля оперативной памяти

SRAM – это ОЗУ, собранное на триггерах, называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида – высокая скорость. Недостатки – обходится относительно дорого, занимает много места.

DRAM – более экономичный динамический вид памяти. Для хранения разряда (бита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора. Таким образом, DRAM – дешевле и компактнее, но при этом её быстродействие ниже. В связи с этим обычную память строят на модулях DRAM, а SRAM используется для построения кеш-памяти в микропроцессорах.

Проблемы взаимодействия процессора с основной памятью. Одной из проблем взаимодействия является согласование скоростных характеристик процессора и ОП. При современном уровне развития микроэлектроники процессор имеет значительно более высокое быстродействие по сравнению с быстродействием ОП. При этом с ростом тактовой частоты процессоров все большую долю в задержке обмена процессора данными с ОП составляет задержка в связях по СШ (вне кристалла процессора).

Основным архитектурным способом согласования скоростных характеристик процессора и ОП является кеширование ОП. Под кешированием понимается использование быстродействующей буферной памяти относительно малого размера, выполненной на элементах памяти статического типа (триггерах), которые имеют более высокое быстродействие по сравнению с динамическими элементами ОП.

Кеш-память (англ. cache memory) – сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), являющееся буфером между оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) и его «клиентами» – процессором (одним или несколькими) и другими абонентами системной шины.

Кеш-память не является самостоятельным хранилищем; информация в ней неадресуема клиентами подсистемы памяти, присутствие кеша для них «прозрачно». Кеш хранит копии блоков данных тех областей ОЗУ, к которым происходили последние обращения, и весьма вероятное последующее обращение к тем же данным будет обслужено кеш-памятью существенно быстрее, чем оперативной памятью. От эффективности алгоритма кеширования зависит вероятность нахождения затребованных данных в кеш-памяти и, следовательно, выигрыш в производительности памяти и компьютера в целом.

Кеш-память размещается в непосредственной близости от процессорного ядра, при этом ее работа наиболее эффективна, если она встроена внутрь кристалла процессора (кеш 1-го уровня – L1). Ограниченность объема кристалла не позволяет реализовать в процессоре внутренний кеш большой емкости. Объем внутренней кеш-памяти процессоров редко превышает 32 Кбайт. В большинстве современных компьютеров используют 2- или 3-уровневую кеш-память.

Все ранее рассмотренные виды памяти формируют высший первичный уровень. Сведём их технические характеристики в таблице 2.1. Кроме того, здесь же представим характеристики вторичного и третичного уровней внешней памяти, которые рассмотрим далее.

Таблица 2.1 – Иерархия устройств компьютерной памяти и характеристики её уровней

Уровень памяти	Устройства памяти	Емкость	Быстродействие	Энергозависимость
Внутренняя первичная	Регистры процессора	0,2–0,5 КБ	1–5 нс	Да
	СОЗУ, т. е. кеш-память	32–512 КБ	5–20 нс	Да
Основная первичная	Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ – RAM)	1–4 ГБ	30–100 нс	Да
Вторичная, третичная (внешняя, архивная)	Дисковая кеш-память	1–8 МБ	50–100 мкс	Да
	Магнитные диски	100–1 000 ГБ	3–15 мс	Нет
	Оптические диски	0,7–9 ГБ	50 мс	Нет
	Флеш-память	8–64 ГБ	25–50 мкс 2–25 МБ/с	Нет
	Твёрдотельные накопители (SSD)	0,1–1 ТБ	300–500 МБ/с	Нет
	Магнитные ленты (стимеры)	1–200 ТБ	10–60 ТБ/день	Нет

Постоянная память. Постоянная память (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство) обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения процессором различных программ. Постоянная память имеет также название ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

Постоянная память энергонезависима, т. е. может сохранять информацию и при отключенном питании. Однако некоторые виды ПЗУ, например микросхема BIOS, являются условно энергонезависимыми, т. е. они имеют внешнее питание от батареи или аккумулятора.

Внешняя память (англ. external storage) – память, данные в которой доступны центральному процессору посредством операции ввода-вывода.

Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют внешнюю память – различного рода накопители (НЖМД, CD/DVD, SSD, флеш-накопители), общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти.

Дисководы (англ. drives). В системный блок ПК вмонтированы дисководы (накопители на гибких и жестких магнитных дисках). Они позволяют многократно считывать и записывать магнитные диски для долгого хранения на большие объемы информации.

Работа дисководов управляется контроллерами – электронными устройствами, выполненными в виде печатных плат, устанавливаемыми в один из разъемов на системной плате или монтируемых непосредственно на дисководе.