Следует еще раз подчеркнуть, что упрощение дешифратора всегда сопровождается падением его быстродействия.
3. Иерархическая структура памяти
Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения большого количества данных. На самом верху находятся регистры процессора. Доступ к регистрам осуществляется быстрее всего. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до нескольких мегабайт. Затем следует основная память, которая в настоящее время может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Далее идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивной информации.
По мере продвижения по структуре сверху вниз возрастают три параметра. Во-первых, увеличивается время доступа. Доступ к регистрам занимает несколько наносекунд, доступ к кэш-памяти — немного больше, доступ к основной памяти — несколько десятков наносекунд. Дальше идет большой разрыв: доступ к дискам занимает по крайней мере 10 мкс, а время доступа к магнитным лентам и оптическим дискам вообще может измеряться в секундах (поскольку эти накопители информации еще нужно взять и поместить в соответствующее устройство).
Во-вторых, увеличивается объем памяти. Регистры могут содержать в лучшем случае 128 байтов, кэш-память — несколько мегабайтов, основная память — десятки тысяч мегабайтов, магнитные диски — от нескольких гигабайтов до нескольких десятков гигабайтов. Магнитные ленты и оптические диски хранятся автономно от компьютера, поэтому их объем ограничивается только финансовыми возможностями владельца.
В-третьих, увеличивается количество битов, которое вы получаете за 1 доллар. Стоимость объема основной памяти измеряется в долларах за мегабайт, объем магнитных дисков — в пенни за мегабайт, а объем магнитной ленты — в долларах за гигабайт или еще дешевле. Характеристики и классификация запоминающих устройств. Иерархия систем памяти Под запоминающими устройствами (ЗУ, память) будем понимать совокупность устройств для запоминания, хранения и выдачи информации. Память является одним из основных ресурсов компьютера, влияющим как на производительность, так и на функциональность вычислительной машины.
К основным характеристикам устройств памяти можно отнести:
1) Временные характеристики:
- быстродействие - определяется временем выборки, временем обращения и другими параметрами.
– время собственно записи. Таким образом, процесс чтения/записи ЗУ в общем случае включает ряд этапов разной сложности и длительности.
- производительность – определяется пропускной способностью ЗУ, то есть – объемом информации, который можно считать/записать из/в ЗУ в единицу времени. Для оценки производительности часто используют показатель длительности цикла обращения к памяти tц, под которым понимают минимальное время между сменой информации на выходе/ входе ЗУ.
2) Важнейшей потребительской характеристикой ЗУ является его объем, или емкость памяти (Е), то есть количество запоминаемой информации. В зависимости от типа ЗУ, его места в вычислительной системе, объем может меняться от десятков байт (для регистровой памяти ЦП) до десятков и сотен гигабайт (для массивов накопителей на магнитных дисках).
Наряду с характеристикой емкости памяти применяют также удельную емкость по отношению к единице площади или объема кристалла: Eуд = E/Sкр. Такая характеристика в большей степени характеризует технологические особенности ЗУ.
3) Третьей важнейшей потребительской характеристикой ЗУ, как и любого вычислительного устройства, является его стоимость, которая также может меняться в самых широких пределах в зависимости от объема, производительности и других характеристик. Распространенной характеристикой является удельная стоимость в расчете на единицу информации (стоимость одного бита/байта, кило- и мегабайта и т.д.) Помимо перечисленных можно отметить множество других характеристик ЗУ, в том числе: технологию изготовления, потребность во внешнем источнике питания для хранения информации, длительность хранения, количество циклов чтения и записи, геометрические размеры, и так далее. С учетом приведенных характеристик, а также – назначения ЗУ, места, занимаемого ЗУ в вычислительной системе, можно привести, например, следующую классификацию ЗУ:
1. По удаленности от процессора: - сверхоперативная (регистры процессора, КЭШ память); - основная (оперативная) память; - дополнительная память (внешняя); - вторичная память (также внешняя); - массовая память (внешняя, как правило, на доступных сменных носителях).
2. По организации записи: - постоянное запоминающее устройство – ПЗУ (ROM – read-only memory)– однократно программируемое изготовителем устройство только для чтения; - перепрограммируемое запоминающее устройство – ППЗУ (PROM) – возможно перепрограммир-е, которое, однако, требует специальной процедуры, кол-во циклов записи намного меньше циклов чтения; - оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (RAM – random access memory) - количество циклов чтения может совпадать с количеством циклов записи. Строго говоря, приведенные отечественные и импортные сокращения для двух основных типов памяти не вполне точно отражают приведенное деление памяти по организации записи, но являются исторически сложившимися и общепринятыми.
3. По организации доступа: - с последовательным доступом (tдост меняется для различных адресов или участков памяти – чем старше адрес, тем больше время доступа); - с прямым доступом (tдост = const для различных адресов или участков памяти).
4. По организации поиска ячеек в памяти: - «М-поиск» – поиск по месту (например, в адресном ОЗУ); - «В-поиск» – поиск по времени (например, при работе с накопителем на магнитной ленте).
5. По физическому эффекту (технологии), используемому для запоминания и хранения информации: - полупроводниковая память, магнитная, магнитооптическая, оптическая, электростатическая и др.
6. ОЗУ по способу хранения делится на: - статическое (на триггерах); - динамическое (на конденсаторах).
7. По способу адресации: - адресная память; - стековая память; - ассоциативная память.
8. По организации памяти в систему: - память с расслоением; - виртуальная память; - кэш-память; - различные варианты блочно-конвейерных систем.
9. По зависимости от источника питания: - энергозависимая; - энергонезависимая.
Как и ранее, при классификации вычислительных машин, отметим, что выбранные классификационные признаки не являются всеобъемлющими или обязательными, просто они отражают некоторые важные особенности классифицируемых систем. Рассматривая характеристики и классификацию ЗУ, с учетом их многообразия нельзя не упомянуть об иерархии систем памяти в составе вычислительной системы. Как мы помним, принцип иерархического построения систем памяти заложен еще в фон-неймановской архитектуре, в те годы, когда большинства современных ЗУ и их типов не существовало. Однако и тогда существовала относительно быстрая и дорогая энергозависимая оперативная память, и внешняя память – более дешевая, намного более медленная, но при этом энергонезависимая. Сейчас иерархия выглядит намного сложнее, но общий принцип ее построения остается в основном неизменным На верхнем уровне иерархии располагается наиболее быстрая и дорогая регистровая память процессора, а также – буферная кэш-память первого уровня, расположенная в кристалле процессора. К ней примыкает кэш-память второго уровня, выполняемая в одном корпусе с процессором, либо – на системной плате.
На следующем уровне находится оперативная (чаще всего – динамическая) память достаточно большого объема. Эти уровни вместе с процессорами образуют ядро ВС в архитектуре фон-Неймана. На более низких уровнях располагается внешняя память – внешние устройства, взаимодействующие с ядром по каналам ввода-вывода. В качестве вторичной памяти можно указать НЖМД (HDD) – накопители на жестких магнитных дисках – пожалуй, наиболее быстродействующую внешнюю память, при этом со значительным объемом. К массовой памяти можно отнести разнообразные сменные носители информации, различающиеся как по объему, так и по времени доступа (накопители на гибких магнитных дисках, магнитной ленте, CD-ROM – диски и т.д.), которые объединяет, пожалуй, относительно низкая удельная стоимость. Легко заметить, что при движении по иерархии сверху вниз происходит снижение удельной стоимости хранения информации, рост объемов ЗУ и - падение производительности. Подобное построение систем памяти в ВС объясняется, с одной стороны, различной функциональной направленностью ЗУ (оперативное хранение небольших объемов информации в ОЗУ, либо – долговременное хранение больших объемов данных на дисковой памяти), а с другой - попыткой достичь более-менее приемлемого соотношения между ценой и производительностью (а также функциональностью) вычислительной системы, что являлось актуальным как на заре вычислительной техники, так и сейчас.
Практическое задание
Задание № 1.
1. Переведите в десятичную систему, а затем проверьте результаты, выполнив обратные переводы.
1) 10100112
| Разряд | |||||||
= 1*26+1*24+1*21+1*20= 8310 => х2 =>
 4
| ||||||||
|
2) 5578
| Разряд | |||
= 5*82+5*81+7*80= 36710 => х8 =>
 45
| ||||
| ||||
3) ABC16
| Разряд | |||
| A | B | C |
= 10*162+11*161+12*160= 274810 => х16 =>
| 171
| ||||
| ||||
2. Выполните сложение и умножение
1) 100012 и 1012
| + | ||||||
|
| × | ||||||||
|
2) 378 и 758 => х2
 |  | ||
011 111 111 101
 +
| ||||||||
| (00)1 |
|
= > х8 => 1348
|  ×
|  1
| |||||||||||
| (0) |
|
 | |||||
 |  |
=> x8 => 35438
3) ABC16 и 12316
 |  |  |  |  | |||||
1010 1011 1100 0001 0010 0011
| + | ||||||||||||||
|
=> х16 => BDF16
| × | |||||||||||||||||||||||||
|  1
|  1
|  1
| 
| |||||||||||||||||||||
| (0) |
| ||||||||||||||||||||||||
=> x16 => C33B416
|
 |
1) х1 & x2 + x3 V x4, n = 4, 24= 16 строк + заголовок
| Х1 | Х2 | Х3 | Х4 | ||||
|
|
а
 | |||
|
b
 | |||
|
c
 |
d
Задание 5. Составьте схему параллельного регистра для хранения чисел в однобайтовом формате. Постройте и проанализируйте временную диаграмму для полученного регистра, если известно, что первое число на входе устройства находится во временном интервале t1, второе число – t2, третье число – t3.
1) 310, 1010, 2310 =>
| 1
| |||||
| |||||
|  1
| ||||
| ||||||
 2
| ||||||
|
|
|
