Организация хранения данных и алгоритмы доступа к ним

Повторяет классификацию структур данных:

• Адресуемая память — адресация осуществляется по местоположению данных.
• Ассоциативная память— адресация осуществляется по содержанию данных, а не по их местоположению.
• Магазинная (стековая) память— реализация стека.
• Матричная память— ячейки памяти расположены так, что доступ к ним осуществляется по двум или более координатам.
• Объектная память— память, система управления которой ориентирована на хранение объектов. При этом каждый объект характеризуется типом и размером записи.
• Семантическая память— данные размещаются и списываются в соответствии с некоторой структурой понятийных признаков.

28. Что такое иерархия компьютерной памяти?

Иерархия компьютерной памяти- концепция построения взаимосвязи классов разных уровней компьютерной памяти на основании иерархической структуры.

- концепция построения взаимосвязи классов разных уровней компьютерной памяти на основании иерархической структуры.

В основе реализации иерархии памяти современных компьютеров лежат два принципа: принцип локальности обращений и соотношение стоимость/производительность. Принцип локальности обращений говорит о том, что большинство программ к счастью не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.

Иерархия памяти современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем более высокий уровень меньше по объему, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и так далее, пока мы не достигнем основания иерархии.

Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени мы имеем дело только с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком. Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока

Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти:

• микропроцессорная память;
• основная память;
• регистровая кэш-память;
• внешняя память.

Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются соответственно попаданием (hit) или промахом (miss). Попадание - есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время как промах означает, что он не найден на этом уровне. Доля попаданий (hit rate) или коэффициент попаданий (hit ratio) есть доля обращений, найденных на более высоком уровне. Иногда она представляется процентами. Доля промахов (miss rate) есть доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.

Поскольку повышение производительности является главной причиной появления иерархии памяти, частота попаданий и промахов является важной характеристикой

Основная память представляет собой следующий уровень иерархии памяти. Основная память удовлетворяет запросы кэш-памяти и служит в качестве интерфейса ввода/вывода, поскольку является местом назначения для ввода и источником для вывода. Для оценки производительности основной памяти используются два основных параметра: задержка и полоса пропускания. Традиционно задержка основной памяти имеет отношение к кэш-памяти, а полоса пропускания или пропускная способность относится к вводу/выводу.

29. Какие вы знаете типы энергозависимой/энергонезависимой компьютерной памяти

Энергонезависимая память) Non Volatile Random Access Memory, NVRAM) — подгруппа более общего класса энергозависимых запоминающих устройств; разница заключается в том, что в отличие от жестких дисков, устройства NVRAM предлагают прямой доступ.

В более общем смысле, энергонезависимая память — любое устройство компьютерной памяти, или его часть, сохраняющее данные вне зависимости от подачи питающего напряжения. Однако подпадающие под это определение носители информации, ПЗУ, ППЗУ, устройства с подвижным носителем информации (диски, ленты) и другие носят свои, более точные названия.

Поэтому термин «энергонезависимая память» чаще всего употребляется более узко, по отношению к полупроводниковым БИС запоминающих устройств, которая обычно выполняется энергозависимой, и содержимое которой при выключении обычно пропадает. Под понятие энергонезависимой памяти подпадают по сути энергозависимая память, „энергонезависимость“ которой обеспечивается применением технологией с «ускользающе малым потреблением» (например) вкупе с подпиткой от миниатюрной батарейки или SSD.

Например часы на системной плате персонального компьютера или ОЗУ современного RAID-контроллера.

Энергонезависимая память— память, реализованная ЗУ, записи в которых не стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся все виды памяти на ПЗУ и ППЗУ;

Энергозависимая память— память, реализованная ЗУ, записи в которых стираются при снятии электропитания. К этому типу памяти относятся память на ОЗУ, кеш-память.

a. Статическая память— энергозависимая память, которой для хранения информации достаточно сохранения питающего напряжения;

b. Динамическая память — энергозависимая памяти, в которой информация со временем разрушается (деградирует), и, кроме подачи электропитания, необходимо производить её периодическое восстановление (регенерацию).

30. Чем отличаются друг от друга PROM, EPROM и EEPROM?

PROM (programmable read-only memory - программируемая память только для чтения) - это чип памяти, данные в который могут быть записаны только однажды. То что записано в PROM, не вырубишь топором :) (хранится в нем всегда). В отличии от основной памяти, PROM содержит данные даже когда компьютер выключен.

Отличие PROM от ROM (read-only memory - память только для чтения) в том, что PROM изначально производятся чистыми, в тот время как в ROM данные заносятся в процессе производства. А для записи данных в чипы PROM, применяются специальные устройства, называемые программаторами.

EPROM (erasable programmable read-only memory - стираемая программируемая память только для чтения) - специальный тип PROM, который может очищаться с использованием ультрафиолетовых лучей. После стирания, EPROM может быть перепрограммирована. EEPROM - по сути похожа на PROM, но для стирания требует электрических сигналов.

EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory - электрически стираемая программируемая память только для чтения) - специальный тип PROM, который может быть очищен электрическим разрядом. Подобно другим типам PROM, EEPROM содержит данные и при выключенном питании компьютера. Аналогично всем другим типам ROM, EEPROM работает не выстрее RAM.

Специальный тип EEPROM, называемый Flash memory или Flash EEPROM, может быть перезаписан без применения дополнительных устройств типа программатора, находясь в компьютере.

31. Чем отличаются друг от друга ROM и RAM

ROM ( Read Only Memory) тип памяти, предназаченной для постоянного хранения данных и не допускающей возможности перезаписи

RAM (Random Access Memory) тип памяти, допускающей не только чтение, но и запись данных. Оперативная память, используемая компьютером для загрузки и работы с часто востребованными данными и программами. При отключении питания содержимое этой памяти исчезает

32. Как устроены ячейки памяти SRAM и где они используются?

Статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный или троичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние сигнала без постоянной перезаписи, необходимой в динамической памяти (DRAM). Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может только пока есть питание, то есть SRAM остается энергозависимым типом памяти.

Типичная ячейка статической двоичной памяти (двоичный триггер) на КМОП-технологии состоит из двух перекрёстно (кольцом) включённых инверторов и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке. Часто для увеличения плотности упаковки элементов на кристалле в качестве нагрузки применяют поликремниевые резисторы. Недостатком такого решения является рост статического энергопотребления.

RAM применяется в микроконтроллерах и ПЛИС, в которых объём ОЗУ невелик (единицы килобайт), зато нужны низкое энергопотребление (за счёт отсутствия сложного контроллера динамической памяти), предсказываемое с точностью до такта время работы подпрограмм и отладка прямо на устройстве. SRAM’ом же делают регистры и кеш-память.

33. Как устроены ячейки памяти DRAM и где они используются?

DRAM, англ. dynamic random access memory (Динамическое ОЗУ) — тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом; также ОЗУ широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров.

Физически DRAM состоит из ячеек, созданных в полупроводниковом материале, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит. Совокупность ячеек такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор ячеек условно делится на несколько областей. DRAM состоит из ячеек, которые состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных, строку от 1 до 4 бит.

Как запоминающее устройство, DRAM представляет собой модуль памяти различных конструктивов, состоящий из электрической платы, на которой расположены микросхемы памяти и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате.

Первоначально микросхемы памяти выпускались в корпусах типа DIP (к примеру, серия К565РУхх), далее они стали производиться в более технологичных для применения в модулях корпусах.

34. Какие вы знаете типы модулей RAM? Чем они отличаются друг от друга?

RAM - (ОЗУ) - оперативная память (Random Access Memory).

Различат два вида RAM:

На полупроводниках (Полупроводниковая статическая— ячейки представляют собой полупроводниковые триггеры. Достоинства — небольшое энергопотребление, высокое быстродействие. Отсутствие необходимости производить «регенерацию». Недостатки — малый объём, высокая стоимость.

Полупроводниковая динамическая — каждая ячейка представляет собой конденсатор на основе перехода КМОП-транзистора. Достоинства — низкая стоимость, большой объём. Недостатки — необходимость периодического считывания и перезаписи каждой ячейки — т. н. «регенерации», и, как следствие, понижение быстродействия, большоеэнергопотребление).

Отличие состоит в структуре ячейки памяти, способности к регенерации, объеме памяти, энергопотребление, быстродействие.

На ферромагнетиках (Ферромагнитная — представляет собой матрицу из проводников, на пересечении которых находятся кольца или биаксы, изготовленные из ферромагнитных материалов. Достоинства — устойчивость крадиации, сохранение информации при выключении питания; недостатки — малая ёмкость, большой вес, стирание информации при каждом чтении).

35. Как компьютер определяет оптимальный режим работы модулей RAM?

36. Дайте определение шины. Какие вы знаете основные характеристики шин?

Компьютерная ши́на (от англ. computer bus, bidirectional universal switch — двунаправленный универсальный коммутатор) — в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Ранние компьютерные шины представляли собой параллельные электрические шины с несколькими подключениями, но сейчас данный термин используется для любых физических механизмов, предоставляющих такую же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины. Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения и могут иметь параллельные (multidrop) и цепные (daisy chain) топологии. В случае USB и некоторых других шин могут также использоваться хабы (концентраторы).

Шины ЭВМ характеризуются разрядностью, способом передачи сигнала (последовательные или параллельные, синхронные или асинхронные), пропускной способностью, количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы, назначением (внутренняя или интерфейсная),тактовой частотой.

37. Как классифицируют компьютерные шины?

Компьютерная ши́на (от англ. computer bus, bidirectional universal switch — двунаправленный универсальный коммутатор) — в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода/вывода. Шины ввода/вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств, и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память, с другой стороны, сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. На этапе разработки системы, для шины процессор-память заранее известны все типы и параметры устройств, которые должны соединяться между собой, в то время как разработчик шины ввода/вывода должен иметь дело с устройствами, различающимися по задержке и пропускной способности.

Как уже было отмечено, с целью снижения стоимости некоторые компьютеры имеют единственную шину для памяти и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной. Персональные компьютеры, как правило, строятся на основе одной системной шины в стандартах ISA, EISA или MCA. Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к двухуровневой организации шин в персональных компьютерах на основе локальной шины. Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы. Типичными примерами локальных шин являются VL-Bus и PCI.

Шины бывают двух типов: системная шина и шина расширения. Системная шина (или шина процессора) необходима для обмена информацией между процессором и оперативной и внешней памятью. Вторая шина служит для подключения периферийных устройств и является как бы продолжением шины процессора, связывая ее с внешними устройствами. Помимо контроллера каждая шина включает в себя компоненты адреса, данных, управления.