Запам’ятовувальні пристрої МПС та їх класифікація

Підсистема пам’яті є однією зі складових частин МПС, яка значною мірою визначає її продуктивність і обчислювальні можливості. До підсистеми пам’яті входять технічні пристрої, які називаються запам’ятовувальними пристроями(ЗП)і призначені для зберігання двійкової інформації. Основними операціями у пам’яті є запис, зберігання і вибірка (читання) інформації. Сукупність операції запису і вибірки називається зверненням до пам’яті.

ЗП будуються з двопозиційних елементів пам’яті(ЕП), кожен з яких зберігає один біт інформації. Сукупність декількох елементів пам’яті створюють комірку пам’яті,яка призначена для зберігання багаторозрядної двійкової інформації і звернення до елементів якої відбувається одночасно. Звернення до ЗП відбувається за адресним принципом, який передбачає наявність у кожній комірці пам’яті відповідного номера, що називається адресою і яку необхідно явно чи неявно вказувати при зверненні. Крім адресних, використовують асоціативні ЗП, звернення до комірок яких відбувається за результатами аналізу деяких розрядів інформації, яка зберігається.

Класифікувати і порівнювати ЗП можливо за багатьма різними критеріями в залежності від потреби користувача і технічних вимог до побудови пам’яті. Основними критеріями, які визначають побудови і функціонування ЗП, є: фізичний принцип роботи запам’ятовувальних елементів і технологія їхнього виготовлення, доступ до комірок пам’яті, швидкість обміну інформацією, спосіб зберігання інформації тощо.

Так, в залежності від природи фізичного середовища, в якому зберігається інформація, ЗП поділяються на напівпровідникові, пристрої із зарядним зв’язком (ПЗЗ), магнітні, оптичні тощо. Надалі будемо розглядати напівпровідникові ЗП.

Для порівняння запам’ятовувальних пристроїв між собою розроблена система параметрів, що характеризує їхні властивості. До таких параметрів відносяться:

- інформаційна ємність– це кількість одиниць інформації, що одночасно може зберігатися у ЗП і визначається у двійкових одиницях бітах або байтах. У разі використання одиниці вимірювання – байт, ємність пам’яті подають через число K = 1024 байт = 1 кбайт;

- розрядність даних – визначається вмістом (кількістю розрядів) комірки пам’яті;

- організація пам’яті – це параметр, який поєднує два попередніх у вигляді виразу

N × n,

де N – кількість комірок пам’яті, які входять у ЗП; n – розрядність даних.

Добуток, який буде отримано при виконанні множення, буде дорівнювати інформаційній ємності в тій одиниці вимірювання, яка визначена розрядністю даних;

- час вибірки– інтервал часу з моменту надходження запиту на передачу даних до моменту їхньої появи на виході ЗП;

- тривалість циклу звернення (цикл пам’яті)– мінімальний інтервал часу між двома сусідніми зверненнями до ЗП, кожен з яких буде нормально виконуватись;

- напруга живлення ЗП– визначає вибір необхідного пристрою живлення;

- потужність енергоспоживання– електрична потужність, яку споживає ЗП при роботі. Для деяких типів ЗП розрізняється потужністю енергоспоживання у режимі звернення (запис, читання) й у режимі зберігання. Потужність енергоспоживання у режимі звернення набагато більша за потужність у режимі зберігання;

- питома вартість –визначає співвідношення вартості та інформаційної ємності ЗП.

Вимоги до обсягу і швидкодії пам’яті є суперечними. Досягнення високої швидкодії є досить важкою технічною задачею, вирішення якої потребує додаткових витрат для досягнення необхідного обсягу пам’яті. Взагалі вартість ЗП складає значну частину витрат на апаратну частину МПС. Для раціональної організації пам’яті, відповідно до принципів фон Неймана, передбачено класифікацію ЗП зі швидкодії, яка окреслює певну ієрархію пристроїв пам’яті. Це необхідно для забезпечення високої швидкості обміну інформацією між пам’яттю й арифметично-логічним пристроєм (АЛП) мікропроцесора за великої ємності ЗП МПС. Ієрархія ЗП МПС показана на рис. 5.1. Вершину цієї ієрархії складають найбільш швидкодіючі ЗП певної МПС, які входять до складу центрального процесора – надоперативний ЗП (НОЗП) і внутрішня кеш-пам’ять.

Надоперативний ЗП(НОЗП) складається з регістрів загального призначення центрального процесору (ЦП), кількість яких залежить від архітектури процесора і складає від 16 до 64 регістрів, кількість розрядів у кожному з котрих визначається регістровою моделлю процесора. Ці регістри не потребують виставлення адреси та її оброблення при зверненні до них, тому швидкість роботи з ними максимальна.

Внутрішня кеш-пам’ять– це різновид програмно недоступної оперативноїпам’яті ємністю 1 – 16 кбайт, яка вбудована у ЦП. В залежності від типу процесора може бути одна кеш-пам’ять, спільна для даних і команд, або дві окремих.

Зовнішня кеш-пам’ять– це також оперативна пам’ять, яка установлюється на системній платі і призначена для прискорення процедури звернення до інших типів пам’яті, що входять до складу МПС. Ємність цієї пам’яті становить 64 кбайт – 1 Мбайт і постійно зростає у кожній наступній моделі комп’ютера. Швидкість роботи цієї пам’яті визначається швидкодією системної шини.

Рисунок 5.1 – Ієрархія пам’яті МПС

Оперативний запам’ятовувальний пристрій(ОЗП) – основний тип пам’яті МПС, який значною мірою визначає властивості МПС. Складається з двох видів пам’яті – постійного запам’ятовувального пристрою і, власне, оперативного запам’ятовувального пристрою. ОЗП будується за адресним принципом і має довільний доступ до кожної з комірок пам’яті.

Постійний запам’ятовувальний пристрій(ПЗП) – будується з мікросхем постійних (ПЗП) або перепрограмованих запам’ятовувальних пристроїв (ППЗП). Ці мікросхеми не допускають оперативної зміни інформації, що зберігається в них під час виконання програми, і не втрачають її при відключенні живлення. Інформація до них записується під час виготовлення або при першому програмуванні мікросхеми і надалі змінитися не може. Тому, під час роботи МПС інформація з них лише зчитується. У ПЗП зберігаються таблиці кодів команд, константи, стандартні підпрограми, наприклад, BIOS тощо. Ємність ПЗП складає 64...128 кбайт. Вартість біта інформації, що зберігається у ПЗП, може бути майже на порядок нижче ніж у ОЗП.

Оперативний запам’ятовувальний пристрій(ОЗП) – пристрій пам’яті призначений для записування, зберігання і зчитування будь-якої інформації під час виконання програми. В залежності від типу використовуваних мікросхем, ОЗП буває двох видів: статичний і динамічний. Статичний ОЗП будується з мікросхем, елементом пам’яті яких є транзисторний тригер. Такий елемент пам’яті може зберігати інформацію дуже довго, доки є живлення, незалежно від кількості звернень для читання цієї інформації. ОЗП динамічного типу як елемент пам’яті використовує конденсатор, який є паразитною ємністю деяких схем, що побудовані з транзисторів зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник (МДН). У результаті саморозряду такої ємності, інформація, що записана, може пропадати, тому вони потребують періодичного її поновлення (регенерування). При регенеруванні у кожний запам’ятовувальний елемент записується інверсія значення, що зберігалася до читання. В динамічному ПЗП є схема, що вказує, яке значення знаходиться у комірці пам’яті – пряме або інверсне.

Допристроїв зовнішньої пам’ятівідносяться всі нагромаджувачі зі змінними і незмінними носіями: на твердих і гнучких магнітних дисках, лазерних компакт-дисках (CD-ROM) тощо. Обмін інформацією з такими пристроями відбувається з малою швидкістю, що пояснюється наявністю в їхньому складі електромеханічних вузлів. У цілому, ємність пристроїв зовнішньої пам’яті не обмежена. Можливо говорити лише про окремі пристрої, наприклад, ємність нагромаджувачів на твердих дисках становить 1...100 Гбайт.

Наявність того чи іншого типу пам’яті визначається функціональним призначенням МПС і умовами її роботи.

Крім адресної пам’яті до складу МПС можуть входити пристрої з іншим механізмом звернення до окремих комірок. До них відносяться асоціативна та стекова пам’ять.

Асоціативна пам’ять відрізняється тим, що звернення до комірок відбувається не за адресою, а за асоціативними ознаками самої інформації, що визначаються у результаті порівняння її з необхідними. До критеріїв визначення необхідної комірки можна віднести: рівність вмісту комірки наперед визначеному числу або будь-які інші. При цьому пошук за асоціативною ознакою (або послідовно за окремими розрядами) виконується паралельно у часі для всіх комірок масиву інформації, що зберігається. Це дозволяє підвищити швидкість оброблення інформації.

Стекова пам’ять (стек)– це пам’ять з послідовним доступом, звернення до комірок якої відбувається за безадресним принципом, за алгоритмом LIFO (Last Input First Output) – останній увійшов – перший вийшов. У МПС стекова пам’ять широко використовується під час виклику підпрограм, обробленні переривань та обробленні вкладених структур даних.

Стекову пам’ять реалізують за апаратним або апаратно-програмним способами.

При апаратній реалізації стекова пам’ять організована як сукупність регістрів, які зв’язані між собою так, що при зверненні до стека вміст його даних автоматично зсувається у той чи інший бік (залежно від операції, яка відбувається), чим забезпечується виконання алгоритму LIFO.

При апаратно-програмній реалізації стек організують в ОЗП статичного типу, а для визначення адреси існує спеціальний регістр SP (Stack Pointer) – вказівник стека, який вміщує адресу комірки пам’яті, з якої починається робота за алгоритмом LIFO. Ця комірка пам’яті називається вершиною стека і її вміст змінюється в залежності від виконання алгоритму LIFO для запису або читання даних у стеку.

Контрольні питання:

1 Які параметри ЗП Ви знаєте?

2 Які параметри ЗП характеризують їх швидкодію?

3 Які принципи покладено в основу ієрархії ЗП МПС?

4 За якими принципами можливо здійснити звернення до певної комірки пам’яті у МПС?

Контрольні питання підвищеної складності:

1 Чим можливо пояснити меншу швидкодію зовнішніх пристроїв пам’яті?

2 За яким принципом відбувається звернення до комірок пам’яті у стеку?

3 Поясніть призначення вказівника стека.