Вопрос: Иерархия запоминающих устройств

Память вычислительной машины представляет собой иерархию запоминающих устройств (ЗУ), отличающихся средним временем доступа к данным, объемом и стоимостью хранения одного бита (рис. 7.1). Фундаментом этой пирамиды запоминающих устройств служит внешняя память, как правило, представляемая жестким диском. Она имеет большой объем (десятки и сотни гигабайт), но скорость доступа к данным является невысокой. Время доступа к диску измеряется миллисекундами. На следующем уровне располагается более быстродействующая (время доступа равно примерно 10 - 20 наносекундам) и менее объемная (от десятков мегабайт до нескольких гигабайт) оперативная память, реализуемая на относительно медленной динамической памяти DRAM. Для хранения данных, к которым необходимо обеспечить быстрый доступ, используются компактные быстродействующие запоминающие устройства на основе статической памяти SRAM, объем которых составляет от нескольких десятков до нескольких сотен килобайт, а время доступа к данным обычно не превышает 8 нс. И наконец, верхушку в этой пирамиде составляют внутренние регистры процессора, которые также могут быть использованы для промежуточного хранения данных. Общий объем регистров составляет несколько десятков байт, а время доступа определяется быстродействием процессора и равно в настоящее время примерно 2-3 нс. Все перечисленные характеристики ЗУ быстро изменяются по мере совершенствования вычислительной аппаратуры. В данном случае важны не абсолютные значения времени доступа или объема памяти, а их соотношение для разных типов запоминающих устройств. Таким образом, можно констатировать печальную закономерность - чем больше объем устройства, тем менее быстродействующим оно является. Более того, стоимость хранения данных в расчете на один бит также увеличивается с ростом быстродействия устройств. Однако пользователю хотелось бы иметь и недорогую, и быструю память. Кэш-память представляет некоторое компромиссное решение этой проблемы. Об этой памяти речь пойдет дальше, а теперь более подробно остановимся на оперативной (основной) памяти.

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими устройствами. Микросхемы и системы памяти постоянно совершенствуются как в области схемотехнологии, так и в области развития новых архитектур.

Важнейшие параметры ЗУ находятся в противоречии. Так, например, большая информационная ёмкость не сочетается с высоким быстродействием, а быстродействие в свою очередь не сочетается с низкой стоимостью. Поэтому в ЗУ используется мнгоступенчатая иерархическая структура.

В наиболее развитой иерархии памяти ЭВМ можно выделить следующие уровни:

Регистровые ЗУ – находятся внутри процессора. Благодаря им уменьшается число обращений к другим уровням памяти, находящимся вне процессора и требующим большего времени для операции обмена.

Кэш-память – быстродействующая память, которая может находиться внутри или вне процессора. Она предназначена для хранения копий информации, находящейся в более медленной основной памяти.

Оперативная память (RAM – Read Access Memory) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – часть основной памяти ЭВМ, предназначенной для хранения быстро изменяемой информации. В ОЗУ хранятся программы пользователей промежуточные результаты вычислений.

Постоянная память (ROM – Read Only Memory – память только для чтения) или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – это вторая часть основной памяти ЭВМ, предназначенной для хранения редко меняемой информации, например, кодов команд, тестовых программ.

Специализированные виды памяти, например, видеопамять, предназначенная хранения информации, отображаемой на экране дисплея и др.

Внешняя память – магнитные и оптические диски, FLASH-память, предназначенные для хранения больших объёмов информации.

В прошлом основная память представляла собой самый дорогостоящий ресурс. В связи с этим она требовала особого внимания со стороны разработчиков систем - необходимо было обеспечить как можно более эффективное использование столь дорогого ресурса. В первых машинах главной задачей считалось оптимальное использование основной памяти благодаря рациональной организации и управлению ею. Под организацией памяти мы понимаем то, каким образом пред- ставляется и используется основная память. Будем ли мы помещать в основную память только одну программу пользователя или несколько программ одновременно? Если в основной памяти размещается несколько пользовательских программ сразу, будем ли мы предоставлять каждой из них одинаковое количество ячеек или разобьем основную память на час-ти, так называемые разделы, различных размеров? Будем ли мы разбивать основную память жестким образом, когда разделы определяются на достаточно длительные периоды времени, либо предусмотрим более динамичное разбиение, позволяющее вычислительной машине быстро реагировать на изменения потребностей программ пользователя в ресурсах? Будем ли мы требовать такого построения программ пользователя, чтобы они выполнялись только в конкретном разделе, либо предусмотрим возможность выполнения программ с занятием любых подходящих для них разделов? Будем ли мы требовать, чтобы каждая программа помещалась в одном непрерывном, сплошном блоке ячеек памяти, либо допустим возможность разбиения программ на отдельные блоки, размещаемые в любых свободных участках (дырах) основной памяти? В ранних ОС управление памятью сводилось просто к загрузке программы и ее данных из некоторого внешнего накопителя (перфоленты, магнитной ленты или магнитного диска) в память. С появлением мультипрограммирования перед ОС были поставлены новые задачи, связанные с распределением имеющейся памяти между несколькими одновременно выполняющимися программами. Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе являются: • отслеживание свободной и занятой памяти; • выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов; • вытеснение кодов и данных из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место; • настройка адресов процесса на конкретную область физической памяти. Помимо первоначального выделения памяти процессам при их создании ОС должна также заниматься динамическим распределением памяти, то есть выполнять запросы приложений на выделение им дополнительной памяти во время выполнения. После того как приложение перестает нуждаться в дополнительной памяти, оно может возвратить ее системе. Выделение памяти случайной длины в случайные моменты времени из общего пула памяти приводит к фрагментации и, вследствие этого, к неэффективному ее использованию. Дефрагментация памяти тоже является функцией операционной системы. Во время работы операционной системы ей часто приходится создавать новые служебные информационные структуры, такие как описатели процессов и потоков, различные таблицы распределения ресурсов, буферы, используемые процессами для обмена данными, синхронизирующие объекты и т. п. Все эти системные объекты требуют памяти. В некоторых ОС заранее (во время установки) резервируется некоторый фиксированный объем памяти для системных нужд. В других же ОС используется более гибкий подход, при котором память для системных целей выделяется динамически. В таком случае разные подсистемы ОС при создании своих таблиц, объектов, структур и т. п. обращаются к подсистеме управления памятью с запросами. Защита памяти – это еще одна важная задача операционной системы, которая состоит в том, чтобы не позволить выполняемому процессу записывать или читать данные из памяти, назначенной другому процессу, Эта функция, как правило, реализуется программными модулями ОС в тесном взаимодействии с аппаратными средствами.

Стратегии управления памятью Для того чтобы обеспечить интенсивное использование дорогостоящих ресурсов, ими нужно эффективно управлять. Стратегии управления памятью направлены на то, чтобы обеспечить наилучшее возможное использование ресурсов основной памяти. Стратегии управления памятью делятся на следующие категории: - стратегии выборки (загрузки); а) стратегии выборки по запросу (по требованию); б) стратегии упреждающей выборки; - стратегии размещения; - стратегии замещения. Стратегии выборки ставят своей целью определять, когда сле- дует «втолкнуть» очередной блок программы или данных в основную память. В течение многих лет полагали, что наиболее целесообразно осуществлять выборку по запросу: согласно этому принципу, очередной блок программы или данных загружается в основную память, когда его запрашивает работающая программа. Считалось, что, поскольку в общем случае мы не можем предсказать, куда будет передаваться управление по программе, дополнительные затраты, связанные с прогнозированием дальнейшего хода программы и упреждающей выборкой, будут значительно превышать ожидаемые выгоды. А сегодня многие специалисты уверены в том, что упреждающая выборка вполне может обеспечить повышение быстродействия системы. Стратегии размещения ставят своей целью определить, в какое место основной памяти следует помещать поступающую программу. В этой главе мы рассмотрим стратегии размещения, реализующие принципы занятия «первого подходящего», «наиболее подходящего» и «наименее подходящего» по размерам свободного участка памяти. Стратегии замещения ставят своей целью определить, какой блок программы или данных следует вывести («вытолкнуть») из основной памяти, чтобы освободить место для записи поступающих программ или данных.

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и самые старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: