Емкости и быстродействие этих видов памяти зависят от конкретного функционального назначения обслуживаемых ими устройств. Для видеопамяти, например, объем может достигать величин, сравнимых с оперативными ЗУ, а быстродействие – даже превосходить быстродействие последних.

7. Следующей ступенью памяти, ставшей, фактически, стандартом для любых ЭВМ, являются жесткие диски. В этих ЗУ хранится практически вся информация, которая используется более или менее активно, начиная от операционной системы и основных прикладных программ и кончая редко используемыми пакетами и справочными данными.

Емкость этой ступени памяти, которая может включать в свой состав до десятков дисков обеспечивая хранение очень большого количества данных, зависит от области применения ЭВМ. Типовая емкость жесткого диска, составляющая на начало 2000-х годов десятки гигабайт, удваивается примерно каждые полтора года.

Со временами обращения дело обстоит несколько иначе: компоненты этого времени, обусловленные перемещением блока головок чтения-записи уменьшаются сравнительно медленно (примерно, вдвое за 10 лет). Компонента, обусловленная временем подвода сектора и зависящая от скорости вращения шпинделя диска, также уменьшается с ростом этой скорости примерно такими же темпами. А скорость передачи данных растет значительно быстрее, что связано с увеличением плотности записи информации на диски.

8. Все остальные запоминающие устройства можно объединить с точки зрения функционального назначения в одну общую группу, охарактеризовав ее, как группу внешних ЗУ. Под словом “внешние” следует подразумевать то, что информация, хранимая в этих ЗУ, в общем случае расположена на носителях не являющихся частью собственно ЭВМ. Под это определение подпадают гибкие диски, компакт диски, накопители на сменных магнитных и магнитооптические диски, твердотельные (флэш) диски и флэш-карты, стримеры, внешние винчестеры и др. Естественно, что параметры этих устройств достаточно различны. Функциональное назначение их обычно сводится либо к архивному хранению информации, либо к переносу ее од одного компьютера к другому.

Некоторые сомнения в принадлежности к данной категории могут вызвать сменные диски, устанавливаемые в салазки (rack). Такие диски, действительно, лучше отнести к предыдущей (седьмой) группе.

КЭШ-память компьютера

Принцип кэширования

Процессоры с высокой тактовой частотой требуют, естественно, быстрой памяти с малым временем доступа. Какая польза от процессора, работающего на частоте 100 MГц, если ему приходится выполнять при каждом доступе к памяти пять или более циклов ожидания? Стандартное время доступа современных схем DRAM составляет 60-100 нс. Для тактовой частоты 40 МГц дело обстоит еще хуже, особенно если учесть существенно большее время цикла DRAM. Не помогает ни страничная организация памяти, ни режим статических столбцов, хотя это и позволяет снизить время доступа до 35 нс. Решением проблемы являются блоки SRAM с типичным временем доступа, равным 10-20 нс. Для суперкомпьютеров выпускаются дорогостоящие SRAM, в которых используется биполярная или ECL-технология, обеспечивающая время доступа не выше 8 нс. Для сравнения: за 8 нс коммерческий самолет, летящий со скоростью 850 км/час, продвинется только на 0.002 мм, или на менее чем одну десятую часть диаметра волоса. К сожалению, схемы SRAM очень дороги и больше по размеру, чем DRAM.

Принцип кэширования основывается на следующих свойствах данных - пространственная и временная локальность.

Пространственная локальность – если происходит обращение к памяти по некоторому адресу, то с высокой степенью вероятность в ближайшее время произойдет обращение к соседним адресам.

Временная локальность – если произошло обращение по некоторому адресу, то следующее обращение по этому же адресу с большой вероятностью произойдет в ближайшее время.

Увеличение скорости доступа к данным.

Принцип использования кэш-памяти во всех случаях сводится к одному и тому же. Буфер представляет собой более быстрое (а значит и более дорогое), но менее емкое ЗУ, чем то, для ускорения работы которого он предназначен. При этом в буфере размещается только та часть информации из более медленного ЗУ, которая используется в настоящий момент. Если доля h обращений к памяти со стороны процессора, удовлетворяемых непосредственно буфером (кэшем) высока (0,9 и более), то среднее время для всех обращений, оказывается близким ко времени обращения к кэшу, а не к более медленному ЗУ.

(tc – время обращения к кэш-памяти,

tm – время обращения к ОП,

h – доля обращения, обслуживаемых кэш-памятью,

1 – h – доля обращений, обслуживаемых ОП)

Пусть двухуровневая память состоит кэш и оперативной памяти, как показано на рис.10. И пусть, например, время обращения к кэшу tc = 1 нс (10-9 с), время tm обращения к более медленной памяти в десять раз больше – tm = 10 нс, а доля обращений, удовлетворяемых кэшем, h = 0,95.

Тогда среднее время обращения к такой двухуровневой памяти Tср составит Tср = 1 * 0.95 + 10 * (1 – 0.95 ) = 1.45 нс, т.е. всего на 45% больше времени обращения к кэшу. Значение h зависит об размера кэша и характера выполняемых программ и иногда называется отношением успехов или попаданий (hit ratio).

Управление кэш-памятью.

В связи с высокими скоростями работы перечисленных устройств управление кэш-памятью должно решение ряда задач, связанных с

· быстрым определением местоположения требуемой информации в двухуровневом фрагменте (кэш L1–кэш L2 или кэш L2 – оперативная память) системы памяти;

· выбором информации, которую можно удалить из верхнего уровня при необходимости занесения в него новой информации и отсутствии в нем свободного места;

· поддержанием соответствия между копиями одной и той же информации, располагающейся в разных ступенях памяти.

Последнее иначе называют когерентностью данных, используя аналог физического термина.

В зависимости от конкретной архитектуры и модели ЭВМ вышеназванные задачи могут решаться по-разному. Однако общие принципы их решения, в целом, схожи.

Когда процессор читает информацию, он обычно направляет соответствующий адрес в память. Однако в нашем случае между процессором и адресом основной памяти находится кэш-контроллер. Он определяет, находятся ли нужные данные в кэш-памяти SRAM. Если да, то ситуация называется "кэш-попаданием". Случай, когда нужные данные находятся в основной памяти, называется "кэш-промахом". В первом случае кэш-контроллер читает данные из быстрой кэш-памяти и направляет их процессору. Это обычно происходит без ожидания, т.е. с максимальной скоростью шины. Запрос на чтение перехватывается кэш-памятью, и основная память о нем не знает.