6 Организация памяти ЭВМ

6.1 Основные понятия

Назначение памяти: 1) хранение информации; 2) прием информации по запросу записи; 3) выдача информации по запросу чтения. Прием новой информации и выдача старой осуществляются путем выполнения операций записи и чтения соответственно. Операции чтения и записи информации в память принято называть обращениями к памяти.

Хранение битов информации обеспечивается запоминающими элементами (ЗЭ). Запоминающий элемент – это место хранения бита информации и средства, обеспечивающие чтение и запись бита информации в ЗЭ. Типичный пример ЗЭ – триггер, который имеет два устойчивых состояния, с одним из них сопоставляется 1, с другим – 0. Переключение триггера из одного состояния в другое, т. е. запись бита, осуществляется путем подачи сигналов на его входы. Логическая схема ЗЭ на основе RS-триггера представлена на рис. 6.1а. Запись бита, подаваемого на информационный вход I, в ЗЭ, выбранный сигналом выборки S, производится по сигналу записи W. Чтение бита осуществляется  одним активным сигналом выборки. На рисунке 6.1б представлено условное обозначение ЗЭ.

На основе ЗЭ организуется хранение более крупных единиц информации – слов длиной k разрядов.

а)

б)

Р и с. 6.1 – Логическая схема ЗЭ

Ячейка памяти – это фиксированная совокупность ЗЭ, обращение к которым производится одновременно как к единому целому. Ячейка памяти – это место хранения слова информации. В единое целое ЗЭ объединяют общие цепи выборки и записи, на которые подаются соответственно сигналы выборки SEL и записи W. Схема ячейки представлена на рисунке 6.2. Сигнал SEL =1 обеспечивает одновременную выборку всех ЗЭ, образующих ячейку, и, соответственно, запись в нее слова, подаваемого на входы IN₁, …, IN_k, по сигналу записи W=1 или чтение ячейки с выходов OUT₁, …, OUT_k, если сигнал W=0.

Доступ к информации, хранимой в ячейках памяти, обычно организуется по адресному принципу. Ячейки памяти нумеруются целыми числами 0, 1, …, Е-1, номер ячейки называют ее адресом. Количество ячеек памяти Е – емкость памяти – и длина адреса связаны отношением Е = 2^m, m – длина адреса в битах. Таким образом, адресуемым элементом памяти является ячейка, а единицей обмена с памятью является слово. За одно обращение к памяти можно прочитать или записать одно слово информации.

Р и с . 6.2 - Схема ячейки памяти

Следует отметить, что в памяти третьего уровня (во внешней памяти) адресуются более крупные единицы информации – блоки, состоящие из фиксированного количества слов. Совокупность ЗЭ, предназначенную для хранения блока информации, в этом случае также можно считать ячейкой внешней памяти, так как обращение к ней осуществляется как к единому целому - за одно обращение можно записать или прочитать один блок. Блок является единицей обмена с внешней памятью. Блоки как ячейки памяти нумеруются номерами 0, 1, …, Е-1, которые также рассматриваются как адреса блоков.

Доступ к ячейкам памяти с заданным адресом А обеспечивается схемой селекции, которая вырабатывает сигнал выборки SEL (выбирает одну из ячеек - один из блоков) при обращениях с целью записи или чтения слова (блока) информации. В простых случаях схема селекции выполняется на основе дешифратора адреса, в более сложных случаях (для внешней памяти) кроме дешифратора в ней используются и другие схемы и механизмы.

Для выполнения операций чтения и записи используются соответствующие схемы. Вместе с селектором они образуют блок управления.

Определение ЗУ. Совокупность ячеек памяти, объединенных в единое целое общим блоком управления, называется ЗУ (рисунок 6.3).

Р и с. 6.3 - Схема ЗУ

ЗУ состоит из двух частей: запоминающей части ЗЧ и блока управления БУ. Запоминающая часть – это часть ЗУ, в которой размещаются ячейки с номерами 0, 1, … , Е-1, т. е. место хранения слов – носитель информации.

Блок управления БУ обеспечивает выбор ячейки с адресом А, т.е. доступ к этой ячейке, а также управление операциями чтения или записи по запросам (сигналам) ЧТ или ЗП. Операция чтения возбуждается сигналом ЧТ и обеспечивает выдачу слова информации из ячейки с адресом А на выходную шину: ЧТ: ВЫХ:= [A]. Операция записи обеспечивает прием слова со входной шины и запись его в ячейку с адресом А: ЗП: [A]: = ВХ.  Доступ к ячейкам памяти обеспечивается схемой селекции, входящей в состав БУ.

Определение памяти. Память ЭВМ – это совокупность ЗУ различных типов, объединенных в единую многоуровневую систему, управляемую ЦП. Первый уровень памяти – сверхоперативная память, второй – основная оперативная память, третий - внешняя память (см. п. 2.5).

6.1 Классификация запоминающих устройств

Деление ЗУ на классы осуществляется по различным признакам.

По способу доступа к информации ЗУ принято делить на ЗУ с произвольным (прямым) доступом, ЗУ с последовательным доступом и ЗУ со смешанным (комбинированным) доступом к информации (рисунок 6.4).

Р и с. 6.4 – Классификация ЗУ

К ЗУ с произвольным доступом относятся ЗУ, в которых доступ к любой адресуемой ячейке обеспечивается схемой селекции напрямую, не зависит от предыстории обращений к устройству, т. е. по адресам, задаваемым в любом, произвольном порядке. Время доступа постоянно и не зависит от адреса.

В ЗУ с последовательным доступом схема селекции организована таким образом, что доступ к адресуемой ячейке зависит от того, какое положение занимает адресуемая ячейка относительно средств чтения/записи в момент обращения.

ЗУ с последовательным доступом в свою очередь делятся на ЗУ с периодическим (циклическим) доступом и ЗУ с апериодическим (нециклическим) доступом к информации.

В последовательных ЗУ с апериодическим доступом выбор ячейки с адресом А = n + N осуществляется путем последовательного перебора ячеек с адресами n + 1, n + 2, …, n + (N-1), где n - номер ячейки, к которой производилось последнее обращение. При этом время доступа t_д = (N-1) t_яч, где t_яч ‑ время обращения к одной ячейке. Пример такого ЗУ - накопитель на магнитной ленте (НМЛ).

В последовательных ЗУ с циклическим доступом к информации доступ к адресуемой ячейке предоставляется периодически с периодом T = 1/w, где w - угловая скорость вращения носителя информации относительно неподвижных средств чтения/записи. Время доступа к информации в таких ЗУ является случайной величиной, которая лежит в пределах от 0 до T, среднее время доступа - Т/2. Пример такого рода ЗУ - накопитель на магнитном барабане (устаревший в настоящее время тип ЗУ).

К ЗУ со смешанным типом доступа относятся ЗУ, в которых запоминающая часть организована по n-мерной схеме, n>1, и доступ к информации по различным координатам осуществляется по различным принципам. К такого рода ЗУ относятся, например, накопители на магнитных дисках (НМД). В них по одной координате (по номеру цилиндра С) обеспечивается последовательный апериодический доступ, по другой координате (по номеру поверхности Н) - произвольный доступ, и последовательный периодический доступ - по третьей координате (по номеру сектора S), так как информация в НМД адресуется по трем координатам – С, Н, S.

В зависимости от технической среды, используемой для хранения информации, ЗУ делятся на: 1) полупроводниковые ЗУ, в которых техническая среда реализована на основе электронных ЗЭ; 2) ЗУ на основе магнитных носителей информации ‑ магнитных «запоминающих элементов»; 3) ЗУ на основе оптических носителей информации ‑ оптических ЗЭ и др.

В зависимости от положения информации относительно средств ЧТ/ЗП различают ЗУ статического и динамического типа. К ЗУ статического типа относятся электронные ЗУ, в которых и информация и средства ЧТ/ЗП неподвижны, статичны. В ЗУ динамического типа в движении находится либо информация, либо средства ЧТ/ЗП.

ЗУ динамического типа в свою очередь делятся на ЗУ с подвижным и неподвижным носителем информации. К ЗУ с подвижным носителем информации относятся НМЛ, НМД, НОД.

К ЗУ с неподвижным носителем информации относятся, например, ЗУ на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). В них относительно неподвижного носителя и неподвижных средств ЧТ/ЗП движется информация (информация хранится в динамике).

По способу организации схемы селекции ЗУ делятся на адресные и безадресные. Безадресные в свою очередь делятся на ассоциативные, стековые и магазинные.

В зависимости от специфики использования информации в процессе функционирования ЭВМ ЗУ делятся на три типа: 1) ЗУ с частой (оперативной) сменой информации; 2) ЗУ с редкой сменой и 3) ЗУ без смены информации - постоянные ЗУ. К ЗУ с частой сменой относятся СОЗУ, ОЗУ, ОВЗУ (НМД и др.). К ЗУ с редкой сменой относятся перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). К ЗУ без смены относятся постоянные ЗУ (ПЗУ, ПВЗУ - CD ROM).

В зависимости от того, требуется ли ЗУ питание для хранения информации или нет, различают ЗУ энергозависимые и энергонезависимые.

---------------------------

6.1  Основные характеристики ЗУ

Основные характеристики ЗУ: емкость, быстродействие, надежность, стоимость.

Емкость ЗУ определяется количеством ячеек Е, т.е. максимальным количеством слов, которые одновременно могут храниться в ЗУ. Она зависит от размеров запоминающей части – площади носителя S - и плотности размещения ЗЭ на ней, т. е. плотности записи Р, измеряемой количеством битов на единицу площади: Е=SхР или Р=Е/S.

Быстродействие ЗУ определяется количеством операций обращения в единицу времени и зависит от продолжительности одной операции обращения: V_ЗУ = 1/t_обр. В общем случае, т. е. независимо от типа ЗУ, время обращения различно при выполнении операций ЧТ и ЗП:

t_обр^чт = t_д + t_чт + t_рег,        

t_обр^зп = t_д + t_подг + t_зп                  (6.1)

Здесь: t_д ‑ время доступа к ячейке ЗУ (выбора ячейки); t_чт ‑ время выдачи содержимого ячейки на выходную шину ЗУ; t_рег ‑ время регенерации – повторной записи в ячейку информации, разрушенной при чтении (это время равно нулю, если чтение производится без разрушения информации); t_подг ‑ время на подготовку ячейки к записи новой информации. Подготовка, если она требуется, осуществляется путем стирания старой информации. Время t_подг =0, если стирания старой информации перед записью новой не требуется делать (например, в ЗУ на триггерах); t_зп ‑ время собственно записи слова с входной шины ЗУ в выбранную схемой селекции ячейку ЗУ.

В зависимости от времени обращения (от быстродействия) ЗУ делятся на три класса: сверхоперативные (сверхбыстрые) СОЗУ - с минимальным временем обращения, оперативные (быстрые) ОЗУ - с умеренным временем обращения и внешние (медленнодействующие) ВЗУ - с большим временем обращения.

Надежность ЗУ обычно характеризуется временем наработки на отказ.

Стоимость ЗУ – интегральная характеристика. Она зависит от емкости, быстродействия, надежности ЗУ. Чем лучше эти технические характеристики, тем выше стоимость. Для сравнения различных ЗУ используется понятие удельной стоимости: δ=S/E, где S - стоимость ЗУ. Под удельной стоимостью понимается стоимость хранения единицы информации: бита, байта, КВ, МВ или ГВ. Следует отметить, что δ_созу>δ_озу>>δ_взу, т.е. удельная стоимость СОЗУ больше удельной стоимости ОЗУ и много больше удельной стоимости ВЗУ.