Para se të merret në konsideratë teknologjia e organizimit fizik të kujtesës në një kompjuter, duhet të theksohen sa vijon:

1. Kujtesa në një kompjuter ka një organizim të shumë niveleve.

2. Kujtesa klasifikohet sipas mënyrës se si aksesohen të dhënat.

Të gjitha llojet e memories me struktura adresash funksionojnë sipas parimit të korrespondencës një-me-një ndërmjet secilit element të grupit të hapësirës së adresave dhe çdo elementi të grupit të të dhënave të ruajtura në memorie.

Memoria me qasje sekuenciale përjashton mundësinë e aksesit të rastësishëm në një element memorie, qasja në të cilën përcaktohet nga algoritmi i sekuencës në strukturën e memories me organizimin e saj uniform ose nga algoritmi i aksesit vijues nga niveli më i lartë në nivelin më të ulët në një organizatë të shtresuar (skedar sistem).

Kujtesa shoqëruese përdor një atribut shoqërues (një etiketë që mund të përdoret si kod, çelës, adresë ose pjesë e tij) si kërkim për një element të dhënash në memorie. kujtesa e adresave duke ruajtur një kopje të tij). Për shkak të kësaj, një element i të dhënave mund të vendoset kudo në memorie, duke shkelur parimin e korrespondencës një-me-një, i cili është karakteristik për strukturat e adresueshme të memories.

3. Me metodën e ruajtjes.

Statike

Dinamik

I perhershem

Flash memorie

4. Memoria në kompjuter ka strukturë modulare. Ai bazohet në një strukturë modulare, e cila bën të mundur formimin e një vëllimi të ndryshueshëm të njësisë së ruajtjes duke rritur ose ulur numrin e moduleve në konfigurim.

Kujtesa fizike e një sistemi kompjuterik ndahet në memorie të jashtme dhe operative. Kujtesa e jashtme është për ruajtje afatgjatë informacioni dhe ruhet në gjendjen pasive të sistemit informatik edhe kur ai është i fikur.

Kujtesa e jashtme në moderne sistemet kompjuterike ah zbatohet kryesisht në disqe dhe shirita magnetikë, si dhe në lloje të ndryshme memorie jo të paqëndrueshme.

Kujtesa e jashtme zbatohet fizikisht si pajisje të sistemit hyrës/dalës që komunikojnë me procesorin dhe memorien përmes ndërfaqeve hyrëse/dalëse, funksionimi i të cilave bazohet në dy zgjidhje të ndryshme arkitekturore: autobusin e sistemit dhe kanalet I/O.

Sa për kujtesë e gjallë, organizimi fizik dhe logjik i të cilit është objekt i kësaj teme, strukturisht ndahet në dy pjesë: një pajisje memorie dhe një njësi kontrolli ose kontrollues memorie.

Kontrolluesi i memories është koordinatori i RAM-it, ai është i lidhur me ndërfaqet me procesorin dhe sistemin hyrës/dalës, duke marrë kërkesa për të dhëna prej tyre si për shkrim në memorien e tyre ashtu edhe për lexim prej saj.

Pas marrjes së kërkesës, kontrolluesi e vendos atë në radhën e hyrjes në pajisjen e ruajtjes (memorie) sipas përparësisë, duke i dhënë përparësi sistemit të hyrjes / daljes, organizon komunikimin me kujtesën në përputhje me protokollin e ndërfaqes që i lidh ato.

Funksionaliteti i kontrolluesit të memories është në proporcion të drejtë me kompleksitetin e funksionalitetit të sistemit. Kështu, për shembull, në sistemet simetrike me shumë procesorë, kontrolluesi i memories është koordinatori i kërkesave për të dhëna nga të gjithë procesorët në sistem, duke i pranuar ato për ekzekutim ose duke i bllokuar përkohësisht nëse të dhënat tashmë janë duke u përpunuar nga një procesor tjetër, duke siguruar kështu koherencën e të dhënave në sistemi.

Sipas metodës së ruajtjes, memoria moderne me akses të rastësishëm në sistemet kompjuterike i referohet në shumicën e rasteve memorjes dinamike, e cila kërkon periodikisht gjatë funksionimit të mënyrës së rikuperimit të informacionit në memorie, domethënë cikleve të rigjenerimit, gjatë të cilave qasja në memorie nga agjentët e jashtëm është e mundur. bllokuar. Organizimi i cikleve të tilla dhe frekuenca e tyre përfshihet në funksionet e kontrolluesit.

Për të zvogëluar efektin e cikleve të rifreskimit në performancën e kujtesës, ata filluan të përdorin metoda të ndryshme... Ky është, së pari, përdorimi i teknologjisë modulare për ndërtimin e një memorie me organizimin e bankave dhe adresave alternative, pra me vendosjen e të dhënave me adresa çift dhe tek në module të ndryshme memorie (mikroqarqe) të cilat mund të aksesohen njëkohësisht në një ciklin e memories, duke kombinuar kështu kampionimin e të dhënave në një modul me një cikël rifreskimi në një tjetër, në mungesë të një modaliteti të kampionimit të shpërthimit, domethënë, kampionimit të njëkohshëm të të dhënave në një adresë çift dhe tek.

Ata gjithashtu filluan të përdorin mënyrën e rigjenerimit automatik të qelizave të kujtesës, të cilat aksesohen për të dhëna në modalitetin e leximit dhe mënyrën e rigjenerimit të brendshëm të të gjitha qelizave të kujtesës në mikroqarqe. Por për këtë qëllim, në çdo mikroqark memorie duhej të ndërtohej një kontrollues i brendshëm dhe t'i caktoheshin funksionet e mësipërme dhe të tjera, duke e liruar kontrolluesin e jashtëm për detyra të tjera më të rëndësishme.

Sa i përket arkitekturës së vetë pajisjeve të ruajtjes, të cilat janë të destinuara për ruajtje,

shkrimi dhe leximi i të dhënave mund të vërehet në vijim.

Përdorimi i elementeve të kujtesës në fazën fillestare të zhvillimit teknologji kompjuterike tuba elektronike, dhe më vonë bërthamat e ferritit dhe, si rezultat, kalimi në teknologjinë gjysmëpërçuese, në të cilën ata filluan të përdorin vetitë kondensative të kullimit të izoluar të një transistori me efekt në terren. Qëllimi përfundimtar i këtyre ndryshimeve ishte dhe do të jetë zgjidhja e detyrave të mëposhtme:

Zgjerimi i kapacitetit të kujtesës

Rritja e performancës

Përmirësimi i besueshmërisë së ruajtjes dhe reduktimi i konsumit të energjisë së kujtesës.

Nëse memoria e sistemit të kompjuterëve modernë 32-bit me një autobus adresash 32-bit për aksesimin e memories bën të mundur rritjen e kapacitetit të saj deri në 4 GBT, atëherë për kompjuterët e gjeneratës së dytë dhe të tretë me memorie ferrite, kapaciteti edhe i superkompjuterëve të ajo kohë llogaritej vetëm në dhjetëra e qindra KBT Pra, kapaciteti i memories BESM6 i superkompjuterit vendas në një kohë arrinte në rreth 768 kbt, duke mos arritur as kufirin e megabajtit.

Kërcimi në sasinë e RAM-it ndodhi me futjen e teknologjisë gjysmëpërçuese në prodhimin e pajisjeve të ruajtjes së memories, falë të cilave kapaciteti i RAM-it ka kaluar kufirin e megabajtit. Një nga kompjuterët e parë që kishte këtë lloj memorie ishte IBM7030 në vitin 1961, i cili kishte një madhësi memorie prej 2 MGB. Zhvillimet e projektimit në këtë makinë u përdorën më vonë në seritë e njohura të makinave IBM360 dhe IBM370. Këto makina, me autobusë adresash 24-bit, kishin aftësinë për të zgjeruar vëllimet e memories së tyre deri në 16 MGBT. Me futjen e një autobusi 32-bit në kompjuterë të tillë si ESA370, IBM4381, megjithëse memoria nuk e kalonte kufirin e gigabajtit, ajo kishte aftësinë të rritet nga 16 në 64 MB.

Mainframet moderne të arkitekturës Z, si Z9BC, kanë aftësinë të rriten deri në 64 GB me një autobus 64-bit, dhe kompjuteri Z10 deri në 1,5 TRBT.

Sa i përket kompjuterëve tanë shtëpiak, sasia e RAM-it për makineritë e Serisë EC 3 (EC1046, EC1066) ka arritur në 8 Mgbt, makina të cilat ishin të destinuara të përfundonin rrugën e tyre historike të zhvillimit në këtë fazë.

Kishte gjithashtu kompjuterë të klasës së superkompjuterëve të destinuar për qëllime mbrojtëse të sistemit të mbrojtjes raketore, të cilët kishin një kapacitet memorie madhësi më të madhe, për shembull, projekti M13 (sasia e RAM-it të këtij superkompjuteri mund të zgjerohej deri në 34 MGB).

Një nga karakteristikat kryesore të organizimit fizik të kujtesës është koha e marrjes së të dhënave, e cila ishte 10-12 μs për një kompjuter të gjeneratës së dytë me një memorie në bërthama magnetike. Dhe vetëm me futjen e memories gjysmëpërçuese, koha e kampionimit të të dhënave u zvogëlua me një renditje të madhësisë dhe u bë nga 1.5 në 0.5 μsq.

Kujtesa dinamike për nga natyra e saj dhe mënyra e ruajtjes së të dhënave, pavarësisht nga më shumë strukturë e thjeshtë se sa statike, është pjesa më inerciale, domethënë pjesa më e ngadaltë e sistemit informatikë dhe madje edhe për një reduktim të konsiderueshëm të cikleve të aksesit në të, ai mbetet i tillë në kohën e tanishme.

Kjo është arsyeja e ndërtimit të memories shumënivelëshe në llogaritje sistemet e përfshira e cila përfshin dosjet e regjistrave dhe numër të ndryshëm nivelet e memories buferike me shpejtësi të lartë, të ekzekutuara në elementët e ruajtjes statike (shkaktuese).

Arkitektura moderne Sistemet kompjuterike funksionojnë me koncepte të tilla si memoria virtuale, hartëzimi i së cilës me memorien fizike përfaqësohet nga një grup memorie operative dhe të jashtme. Kjo u bë e mundur si rezultat i një ideje të paraqitur nga shkencëtarët anglezë në Universitetin e Mançesterit, thelbi i së cilës ishte ndarja e koncepteve të madhësisë së hapësirës së adresave nga madhësia specifike e RAM-it të adresës në sistem. Kështu, hapësira e adresave të sistemit u bë e pavarur nga madhësia e RAM-it dhe filloi të shfaqej në dispozicion të programuesit si memorie virtuale, duke i dhënë atij mundësi të shumta kur shkruante programe pa u kufizuar në madhësinë e RAM-it.

Për të zbatuar këtë ide, u deshën prezantimi i koncepteve të tilla si adresat logjike dhe faqet virtuale që përfaqësojnë zona të kujtesës së një madhësi të barabartë, në të cilën filloi të ndahej e gjithë hapësira e adresave memorie virtuale.

Kujtesa reale filloi të ndahej në faqe fizike, madhësia e të cilave korrespondonte me madhësinë faqet virtuale.

Në fakt, përmbajtja e memories virtuale mund të jetë në RAM, dhe më pas faqja virtuale fiton statusin fizik dhe në çdo zonë të lejuar të RAM-it sipas gjykimit të saj. sistemi operativ ose në rastin e kundërt memorie memorie të jashtme.

Rrjedhimisht, një sistem kompjuterik që zbaton mekanizmin e virtualizimit të memories duhet të ketë një mekanizëm për lëvizjen e përmbajtjes së faqeve virtuale nga memoria e jashtme në RAM dhe prapa gjatë ekzekutimit të programit. Një mekanizëm i tillë quhet sistemi i skedarëve, një mekanizëm dinamik ridrejtimi, për shembull, në sistemet IBM ose një mekanizëm i konvertimit të faqeve në procesorë INTEL konvertimin e adresave virtuale në ato fizike.

U prezantua koncepti i adresave logjike. Adresat e komandave dhe të dhënave të krijuara në procesin e ekzekutimit të komandave në procesor fituan statusin e atyre logjike, pasi ato pushuan së korresponduari me adresat e memories fizike, por treguan vetëm vendndodhjen e tyre në hapësirën e adresave. kodi i programit.

Për më tepër, në sistem u bë e mundur që të ekzistojnë disa hapësira adresash virtuale që kanë skemat e tyre për konvertimin e adresave logjike në ato fizike.

Kujtesa virtuale është një objekt sistemi i konsideruar në nivelin e sistemit operativ dhe për këtë arsye është më e përshtatshme të karakterizohet struktura e saj nga pikëpamja organizimi logjik memorie.

Para se të karakterizohet organizimi logjik i memories, duhet të theksohet se adresimi i memories fizike kryhet me bajt, domethënë, njësia minimale e adresueshme është një bajt, dhe për këtë arsye të gjitha madhësitë e elementeve strukturorë të organizimit logjik të kujtesës duhet të jenë të shumëfishta. të një numri të plotë bajtësh në to.

Programi funksionon me koncepte të tilla si operator, operand, konstante, ndryshore, të shprehura në formë numerike ose simbolike. Si rezultat i përkthimit të kodit të programit, ato përfaqësojnë kode binare, të përbëra nga një numër i plotë bajtësh, të cilët vendosen në RAM gjatë ekzekutimit të programit. Bajtet kombinohen në fjalë, fjalët në rreshta, rreshtat në faqe, faqet në segmente.

Rendi në të cilin vendosen bajtet në memorie është i rëndësishëm për organizimin logjik të memories. Është e zakonshme të rregulloni bajt në memorie nga e majta në të djathtë, duke rritur vlerat e adresave të tyre me një.

Ndarja e kujtesës virtuale dhe fizike në faqe dhe segmente bën të mundur jo vetëm hartimin e faqeve virtuale në kujtesën fizike, por edhe përshkrimin e zonave hapësirë ​​lineare dhe memorie fizike, duke marrë parasysh qëllimin e tyre dhe të drejtat e aksesit nga programet në të ashtuquajturit përshkrues që korrespondojnë me secilin segment dhe çdo faqe. Kështu, një mekanizëm mbrojtës zbatohet kur hyni në RAM.

Dhe kështu shtresa e sistemit operativ ka në dispozicion një mekanizëm për ndarjen e kujtesës virtuale dhe fizike në faqe dhe segmente, të cilat e përdor si një mjet për të formuar strukturën e memories logjike të sistemit. Por ka zona në RAM për të cilat përdoret vetëm adresimi fizik. Në këto zona, sistemi operativ zakonisht shpërndan tabela që përdoren gjatë konvertimit të adresave të memories logjike në ato fizike. A. gjithashtu informacione të ndryshme shërbimi, në të cilat qasja lejohet vetëm nga ana e tij. Këto zona quhen zona të memories së përhershme të alokuara, madhësia e të cilave përcaktohet nga arkitektura e sistemit dhe sistemet operative.

Ekziston një model memorie logjike e sheshtë dhe shumëdimensionale. Koncepti i një modeli të memories së sheshtë shoqërohet me organizimin e RAM-it, të propozuar nga von Neumann, domethënë me vendosjen e udhëzimeve dhe të dhënave në një zonë të përbashkët të memories fizike, duke i dhënë të drejtën për të kontrolluar rendin e vendosjes së tyre. për vetë programuesin. Ky model krijoi disa vështirësi dhe kërkonte përpjekje shtesë nga programuesi gjatë shkrimit të programit. Përpjekja e parë për të përmirësuar modelin e memories së sheshtë ishte futja e një mekanizmi segmentimi në zona të veçanta për udhëzime dhe të dhëna. Ky model filloi të quhej i mbrojtur i sheshtë, në të cilin zonat e udhëzimeve dhe të dhënave mund të vendoseshin ende brenda madhësisë së memories fizike, por në vende të ndryshme, qasja në të cilën tregohej përmes adresave fillestare të segmenteve në përshkrues dhe madhësisë. ishte i kufizuar nga vlera e kufirit të specifikuar në to ... Kështu, u zbatua mekanizmi më i thjeshtë i mbrojtjes në memorie. Kjo teknologji ishte e ngjashme me teknologjinë e modelit të kujtesës në arkitekturën e Harvardit, por aplikohej në memorien fizike të përbashkët për udhëzime dhe të dhëna. Më vonë, u prezantua një model i sheshtë memorie shumësegmentesh, në të cilin zona të tjera të destinuara jo vetëm për ruajtjen e komandave dhe të dhënave filluan të kontrollohen nga mekanizmi mbrojtës.

Modeli i memories u bë shumëdimensional me prezantimin e memories virtuale, në të cilën adresat logjike u ndanë në disa pjesë, secila prej të cilave iu nënshtrua transformimit të tabelës. Numri i mekanizmave të përfshirë në transformim përcakton shumëdimensionalitetin e kujtesës logjike. Me konvertimin e adresave me faqe, memoria bëhet njëdimensionale, në të cilën, në formën e saj më të thjeshtë, një grup i përbërë nga pjesët më domethënëse të një adrese logjike i nënshtrohet konvertimit. Numri i këtyre biteve në grup, ose më saktë fuqia 2, e përcaktuar nga ky numër bitësh, përcakton numrin e faqeve virtuale në memorien virtuale. Pjesët më pak të rëndësishme të adresës logjike nuk konvertohen dhe përcaktojnë kompensimin, domethënë vendndodhjen e të dhënave në faqen fizike. Meqenëse numri i faqeve të memories virtuale është mjaft i madh, grupi i sipërm i biteve të adresës logjike ndahet në disa grupe. Si rezultat, në vend të një tabele faqeje, motori i konvertimit përdor disa grupe tabelash. më të vogla... Numri i tabelave të përfshira në grup do të përcaktohet gjithashtu nga shkalla e përcaktuar nga numri i bitave të adresave në grupin pas grupit të adresave më të ulëta të adresës logjike, dhe numri i grupeve do të jetë i barabartë me numrin e rreshtave në drejtoria e faqeve, madhësia e së cilës do të varet nga numri i biteve në grupin që përcakton madhësinë e drejtorisë ... Struktura e përshkruar më sipër do të jetë tipike në rastin e ndarjes së grupit të sipërm të biteve të një adrese logjike në tre pjesë.

Le të hedhim një vështrim se çfarë hardueri nevojitet për të përkthyer adresat logjike në ato fizike.

Siç u përmend më lart, grupi i poshtëm i biteve të adresës logjike nuk i nënshtrohet konvertimit dhe përfaqëson një kompensim, domethënë vendndodhjen e bajtit të parë të të dhënave të adresës brenda një faqeje fizike.

Mekanizmi hap pas hapi për konvertimin e një adrese logjike në një fizike (kur ndahet pjesa e sipërme e një adrese logjike në dy pjesë) ndodh në rendin e mëposhtëm:

1. Bëhet një thirrje në një rresht në tabelë, i përcaktuar nga grupi i pjesëve më domethënëse të adresës logjike, i interpretuar si një drejtori faqesh. Tabela ndodhet në RAM. Adresa e vargut formohet duke shtuar adresën bazë, e cila tregon fillimin e vendndodhjes së tabelës në memorie, dhe e ngarkuar më parë në regjistrin e sistemit në procesor. Termi i dytë është kodi në grupin e rendit të lartë.

2. Si rezultat, një rresht direktoriumi lexohet nga memoria, i cili përmban atributet dhe adresën bazë të tabelës së faqeve që korrespondon me këtë rresht drejtorie.

3. Organizohet një cikël i aksesit të memories në një rresht në tabelën e faqeve. Adresa e vargut formohet duke shtuar adresën bazë të lexuar nga vargu i drejtorisë dhe kodin që korrespondon me vlerën e shifrave në grupin pas grupit të shifrave të drejtorisë.

4. Rreshti i leximit nga tabela e faqeve përmban adresën bazë të faqes fizike në memorie, e cila i jepet grumbulluesit, ku duke shtuar me vlerën e grupit të biteve të rendit të ulët të adresës logjike, që përfaqëson kompensimin në zona e faqes fizike, formohet adresa fizike e aksesit të memories.

Dhe kështu, në përputhje me algoritmin e mësipërm, hardueri për të mbështetur konvertimin e adresave logjike në ato fizike janë:

1. Një zonë me memorie me akses të rastësishëm e ndarë për ruajtjen e tabelave. Kjo zonë është një hapësirë ​​në të cilën nuk funksionon mekanizmi i transformimit.

2. Prania e regjistrave të kontrollit në procesor, për ruajtjen e adresës bazë, duke treguar vendndodhjen e tabelës fillestare në memorie.

3. Një grumbullues për kryerjen e veprimeve të mbledhjes së aritmetikës së adresës.

4. Prania e regjistrave buffer ose memorieve të cache janë plotësisht shoqëruese për ruajtjen e rezultateve të fazave të konvertimit të adresave logjike në ato fizike.

Hardueri i fundit është i nevojshëm për të rritur performancën e sistemit, pasi nuk ka nevojë të kryhet një cikël i plotë transformimesh çdo herë kur memoria aksesohet brenda një faqeje fizike, koordinatat e së cilës janë llogaritur gjatë hyrjes së parë në të.

Futja e një mekanizmi shtesë segmentimi gjatë përkthimit të adresave logjike e bën modelin e memories dydimensionale. Mekanizmi i segmentimit formon një hapësirë ​​​​lineare adresash të memories virtuale, e cila, si rezultat i transformimit, përbëhet nga segmente në të cilat ndodhen kodet dhe të dhënat e programit, duke përcaktuar kështu një dimension të memories logjike, dimensioni i dytë përcakton mekanizmin e transformimit të faqes, që përfaqëson memoria si një grup faqesh virtuale.

Duhet të theksohet se është interpretuar ideologjia e segmentimit të memories virtuale në sistemet kompjuterike ndryshe... Për shembull, faza e segmentimit në procesin e konvertimit të adresave logjike në ato fizike në sistemet IBM (serverët IBM360, IBM370, Zarchitecture) është e pandashme nga faza e konvertimit të faqeve, duke qenë faza e mëparshme përpara fazës së konvertimit të faqeve, ashtu si në sistemet INTEL. , kontrollohet vetëm nga pjesa e sipërme e adresave logjike të adresave, pjesa e mesme e adresës dhe grupi i poshtëm i adresave përfshihen vetëm në paging. Kështu, duke realizuar një lidhje logjike të pandashme midis fazave, duke e ndarë kujtesën virtuale fillimisht në segmente-zona madhësia e madhe dhe pastaj segmente për faqe.

Në serverët Zarchitecture, madhësia e adresës virtuale u rrit në 64 bit, gjë që bëri të mundur adresimin e memories virtuale deri në 16 ekzabajt. Sa i përket shumëdimensionalitetit të memories logjike në këta serverë, pjesa harduerike e tyre bën të mundur që të ketë deri në 4 lloje hapësirash adresash virtuale të pavarura nga njëra-tjetra me numrin e hapësirave në dy prej tyre 64K secila dhe në dy të tjerat 16. K secila me transformimet e tabelave të veta për secilin lloj, të cilat përdoren për të ndërtuar formacione logjike virtuale - ndarje logjike, secila prej të cilave ka sistemin e vet operativ. Çdo lloj adresash virtuale që lidhet me llojin e memories së saj virtuale i nënshtrohet të njëjtit mekanizëm konvertimi me grupet e veta të tabelave. Prandaj, duke ndjekur konceptet dhe terminologjinë e diskutuar më sipër, memoria në këta serverë mund të konsiderohet një grup prej 4 llojesh memorie virtuale njëdimensionale me një transformim pesë-fazor, me pesë lloje zonash: faqe, segment, rajon1, rajon2, rajoni 3.

Skema e përkthimit të adresave virtuale në serverat Zarchitecture

Kujtesa është një pjesë e rëndësishme e sistemeve kompjuterike. Organizimi i ndërveprimit midis procesorit dhe kujtesës përcakton karakteristikat kryesore të sistemit informatik, pjesa tjetër e elementeve sigurojnë lidhjen e kësaj lidhjeje me pajisjet e jashtme me botën e jashtme. Memoria lidhet me kontrolluesin e menaxhimit të memories (pajisja e menaxhimit të memories) nëpërmjet autobusit të adresave, autobusit të të dhënave dhe autobusit të kontrollit. Gjerësia e autobusit të të dhënave përcakton se sa bit mund të lexohen njëkohësisht (në mënyrë paralele) nga memoria. Çdo bit (1 bit) ruhet në një element memorie. Elementet për memorie të llojeve të ndryshme janë ndërtuar mbi bazën e parimeve të ndryshme fizike për regjistrimin dhe ruajtjen e informacionit. Elementet e memories kombinohen në qelizat e kujtesës. Në këtë rast, të gjithë elementët e qelizës adresohen njëkohësisht, në të njëjtën mënyrë dhe organizohen në mënyrë që të mund të nxjerrin njëkohësisht të dhëna në autobusin e të dhënave. Qeliza të tilla të kombinuara formojnë një fjalë. Numri i bitave të të dhënave të lexuara nga memorja në të njëjtën kohë quhet gjatësia e mostrës. Për të ruajtur 1 bajt, përdoren 8 elementë memorie, qelizat e memories tetë-bit organizohen duke përdorur një autobus të dhënash me një gjerësi prej 8 rreshtash.

Mikroqarqet e memories (çipat) përdoren për krijimin e moduleve të memories që instalohen në lojëra elektronike (lidhëse) të veçanta të sistemit kompjuterik. Tani më e zakonshme Modulet DIMM- module memorie me dy rreshta kontaktesh.

Gjerësia e autobusit të adresave përcakton hapësirën e adresave, domethënë numrin e qelizave të memories që mund të adresohen drejtpërdrejt. Nëse gjerësia e autobusit të adresave është n, atëherë numri i të gjitha kombinimeve binare të mundshme (numri i adresave) do të përcaktohet si N = 2n.

Oriz. një. Organizimi i komunikimit ndërmjet sistemit të memories dhe procesorit

Kujtesa e një pajisjeje kompjuterike mund të kryejë tre operacione:

a) ruajtja e informacionit;

b) regjistrimin e informacionit;

c) leximi i informacionit.

Karakteristikat e memories:

Kapaciteti i memories përcakton sasinë maksimale të informacionit të ruajtur në memorie dhe matet në bit, bajt, kilobajt, megabajt, gigabajt, terabajt, etj.

Kapaciteti specifik përcaktohet si raporti i kapacitetit të memories me sasinë e zënë fizikisht prej saj.

Dendësia e regjistrimit të informacionit përcaktohet si sasia e informacionit për njësi sipërfaqe të transportuesit të informacionit ose për njësi gjatësi të bartësit të informacionit.

Koha e aksesit në kujtesë. Performanca e memories përcaktohet nga kohëzgjatja e operacioneve kur qaseni në kujtesë. Koha e hyrjes për shkrim dhe koha e hyrjes për lexim është shuma e kohës së kërkimit për një qelizë memorie në një adresë të caktuar dhe shkrimit ose leximit aktual, respektivisht.

Klasifikimi i memories:

Kujtesa me akses të rastësishëm

Për kujtesën me akses të rastësishëm (memorie elektronike), koha e hyrjes nuk varet nga vendndodhja e zonës së dëshiruar të memories. Qeliza zgjidhet sipas adresës duke përdorur qarqet elektronike.

Qasje e drejtpërdrejtë me rrugë të rrumbullakët

Kur i referohemi memoria e diskut përdoret aksesi i drejtpërdrejtë rrethor. Mediumi i ruajtjes rrotullohet vazhdimisht, kështu që aftësia për të hyrë në të njëjtën zonë memorie është ciklike.

Qasje sekuenciale

Qasja sekuenciale në të dhëna është e mundur kur përdorni shirit magnetik si bartës, ku skanimi sekuencial i seksioneve të transportuesit është i nevojshëm për të gjetur të dhënat e kërkuara.

Memorie pa adresë

Pajisjet e grumbullimit dhe ruajtjes shoqëruese mund të klasifikohen si pa adresa. Kur aksesoni memorien e paadresuar, adresa e qelisë nuk është e specifikuar në komandën e hyrjes në kujtesë. Në pajisjet e memories stack, adresa e një qelize memorie gjurmohet nga një regjistër i veçantë adresash. Kur hyni në pirg, adresa nga ky regjistër vendoset. Kur i referohemi kujtesa asociative Kërkimi i informacionit kryhet sipas atributit (etiketës) duke krahasuar etiketat e të gjitha qelizave të memories me një atribut shoqërues. Një veçori shoqëruese shkruhet në një regjistër të veçorive speciale për të kryer një operacion krahasimi.

Klasifikimi i memories nga qëllim funksional:

ROM - memorie vetëm për lexim ose ROM (Read Only-Memory), përdoren për të ruajtur të dhëna të përhershme dhe programe të shërbimeve.

RAM është një pajisje memorie super-operative, është një grup regjistrash Qëllimi i përgjithshëm- RON, i destinuar për ruajtjen e operandëve dhe rezultateve të funksionimit në procesor.

RAM - memorie me akses të rastësishëm ose RAM (Random Access Memory - memorie me akses të rastësishëm), përdoret për të ruajtur programin e ekzekutueshëm dhe të dhënat operative. Nëse ndonjë regjistër mund të aksesohet për shkrim/lexim në adresën e tij, atëherë një strukturë e tillë regjistri formon një RAM me akses të rastësishëm.

Klasifikimi sipas mënyrës se si ruhet informacioni:

Kujtesa statike

Në pajisjet e ruajtjes statike, LSI-të kryhen në elementë të memories bistable të këmbëzës (që kanë dy gjendje të qëndrueshme - prandaj emri i memories).

Kujtesa dinamike

Në pajisjet e memories dinamike, përdoren LSI më të lira, në të cilat elementi i ruajtjes është një kondensator. Kondensatori shkarkohet me kalimin e kohës (kjo është dinamika), kështu që është e nevojshme të ruhet vlera e mundshme duke rimbushur kondensatorin. Ky proces quhet rigjenerim.

Kujtesa e vazhdueshme

Në pajisjet e kujtesës vetëm për lexim, elementi i memories është një lidhje e shkrirë ose e shkrirë diodë gjysmëpërçuese, duke luajtur rolin e një kërcyesi të shkatërrueshëm. Në ROM-të e riprogramueshëm, qelizat e bëra në transistorë MOS me portë lundruese dhe të izoluar përdoren për regjistrimin dhe ruajtjen e informacionit, informacioni regjistrohet në mënyrë elektrike kur rryma rrjedh nëpër kanalin e burimit / kullimit, ngarkesat depozitohen në portë dhe ruhen për aq kohë sa ju si. Informacioni fshihet duke aplikuar një tension të një shenje tjetër në seksionin e burimit / kullimit në një ROM të riprogramueshëm me fshirje elektrike ose rrezatim me rrezatim ultravjollcë në një ROM me një fshirje ultravjollcë.

Kujtesa holografike

Në pajisjet e ruajtjes holografike, informacioni ruhet në vëllimin e një kristali holografik në formën e një fotografie të ndërhyrjes së dy valëve, referencës dhe informacionit. Ky lloj premtues i pajisjes së ruajtjes ka një densitet të lartë të të dhënave dhe aktualisht është në zhvillim e sipër.

Kujtesa biologjike

Në pajisjet e ruajtjes biologjike, informacioni regjistrohet duke përdorur një ndryshim në gjendjen e molekulave organike që kanë vetinë e ruajtjes së ngarkesës dhe shkëmbimit të elektroneve.

Kujtesa për media magnetike

Në pajisjet e ruajtjes së jashtme në media magnetike, informacioni ruhet në formën e seksioneve të sipërfaqes ferromagnetike të një disku ose shirit magnetik të magnetizuar në një drejtim të caktuar.

Memorie optike

Në pajisjet e ruajtjes së jashtme optike, informacioni regjistrohet në formën e seksioneve që kanë shanse të ndryshme shpërndarja e dritës e një rreze lazer të drejtuar.

Kujtesa është një nga komponentët kryesorë të çdo kompjuteri. Kapaciteti dhe performanca e tij përcaktojnë kryesisht performancën e të gjithë sistemi kompjuterik... Në këtë numër, më së shumti teknologjive të rëndësishme krijimi dhe detajet e organizimit të kujtesës.

Tabela 9.1. Hierarkia e nënsistemit të memories PC

№	Lloji i memories	viti 1985			viti 2000
		Koha e marrjes së mostrave	Vëllimi tipik	Çmimi / Bajt	Koha e marrjes së mostrave	Vëllimi tipik	Çmimi / Bajt
1	Kujtesa super-operative (regjistrat)	0,2 5 ns	16/32 bit	$ 3 - 100	0,01 1 ns	32/64/128 bit	$ 0,1 10
2	Ruajtja e tamponit me shpejtësi të lartë (cache)	20 100 ns	8 Kb - 64 Kb	~ $ 10	0,5 - 2 ns	32 Kb 1 Mb	$ 0,1 - 0,5
3	Kujtesa operative (kryesore).	~ 0,5 ms	1 MB - 256 MB	$ 0,02 1	2 ns 20 ns	128 MB - 4 GB	$ 0,01 0,1
4	Magazinimi i jashtëm (ruajtje masive)	10 - 100 ms	1 MB - 1 GB	$ 0,002 - 0,04	5 - 20 ms	1 GB - 0,5 TB	$ 0,001 - 0,01

Regjistrat e procesorit përbëjnë kontekstin e tij dhe ruajnë të dhënat e përdorura nga udhëzimet aktualisht ekzekutuese të procesorit. Regjistrat e procesorëve zakonisht arrihen nga emërtimet e tyre kujtese në udhëzimet e procesorit.

Cache përdoret për të përputhur shpejtësinë e CPU-së dhe memories kryesore. Sistemet kompjuterike përdorin një cache me shumë nivele: cache e nivelit I (L1), cache e nivelit II (L2), etj. Sistemet e desktopit zakonisht përdorin një memorie të fshehtë me dy nivele, ndërsa sistemet e serverëve përdorin një memorie memorie me tre nivele. Cache ruan udhëzime ose të dhëna që ka të ngjarë t'i dërgohen procesorit për përpunim në të ardhmen e afërt. Operacioni i cache-it është transparent ndaj software, Kjo është arsyeja pse memorie cache zakonisht nuk disponohet programatikisht.

RAM ruan, si rregull, module softuerike të plota funksionalisht (kerneli i sistemit operativ, programet e ekzekutueshme dhe bibliotekat e tyre, drejtuesit e pajisjeve, etj.) dhe të dhënat e tyre të përfshira drejtpërdrejt në punën e programeve, dhe gjithashtu përdoret për të ruajtur rezultatet e llogaritjeve ose të dhëna të tjera përpunuese përpara se t'i dërgoni në një memorie të jashtme, në një pajisje të daljes së të dhënave ose ndërfaqe komunikimi.

Çdo qelizë kujtesë e gjallë caktuar një adresë unike. Metodat organizative të alokimit të memories u ofrojnë programuesve aftësinë për të përdorur në mënyrë efikase të gjithë sistemin kompjuterik. Këto metoda përfshijnë modelin e kujtesës së vazhdueshme ("të sheshtë") dhe modelin e memories së segmentuar. Duke përdorur model solid(modeli i sheshtë) i memories, programi funksionon me një hapësirë ​​të vetme adresash të vazhdueshme, një hapësirë ​​​​lineare adresash, në të cilën qelizat e memories numërohen në mënyrë sekuenciale dhe të vazhdueshme nga 0 në 2n-1, ku n është kapaciteti i CPU-së në adresë. Kur përdorni një model të segmentuar për një program, memoria përfaqësohet nga një grup blloqesh adresash të pavarura të quajtura segmente. Për të adresuar një bajt memorie, një program duhet të përdorë një adresë logjike të përbërë nga një përzgjedhës segmenti dhe një zhvendosje. Përzgjedhësi i segmentit zgjedh një segment specifik dhe zhvendosja tregon një qelizë specifike në hapësirën e adresave të segmentit të zgjedhur.

ORGANIZIMI I KUJTESISË NË MAKINA KOMPJUTERIKE

Qëllimi, parametrat bazë dhe

Klasifikimi i llojeve të kujtesës

Pajisjet e memories (pajisjet e ruajtjes) VM janë krijuar për të regjistruar, ruajtur dhe lexuar informacionin e paraqitur në formë dixhitale/ 2,3 /. Pajisjet e memories, si procesorët, funksionojnë me dy lloje informacioni - programe dhe të dhëna, prandaj karakteristikat e memories përcaktojnë kryesisht performancën dhe funksionalitetin VM.

Pajisjet e memories funksionojnë në dy mënyra - akseset e memories dhe magazinimit... Në modalitetin e qasjes në kujtesë, informacioni regjistrohet ose informacioni lexohet nga memoria. Nëse memoria nuk aksesohet, ajo kalon në modalitetin e ruajtjes.

Parametrat kryesorë që karakterizojnë pajisjet e kujtesës janë kapaciteti i informacionit (vëllimi), performanca, konsumi i energjisë dhe kostoja / 2,5,8 /.

Kapaciteti i informacionit (vëllimi) pajisja e memories përcaktohet nga sasia maksimale e informacionit të ruajtur dhe matet në bajt, KB, MB, GB dhe TB.

1 KB = 2 10 bajt; 1MB = 2 20 bajt; 1 GB = 2 30 bajte dhe 1 TB = 2 40 bajte.

Performanca e memories karakterizohet nga parametrat kryesorë të mëposhtëm:

koha e marrjes së mostrave (qasjes) t B, përcaktohet nga intervali kohor midis momenteve të sinjalit të kampionimit (fillimi i ciklit të leximit) dhe marrja e të dhënave të leximit në daljen e memories;

kohëzgjatja e ciklit t Ц, e cila përcaktohet nga intervali kohor minimal i lejuar ndërmjet akseseve të njëpasnjëshme të memories. Duke marrë parasysh që aksesi në kujtesë do të thotë shkrim ose lexim, ndonjëherë ato ndahen kohëzgjatja e ciklit të leximit t C.RT... dhe kohëzgjatja e ciklit të regjistrimit t Ts.ZP. për llojet e memories në të cilat këto kohë cikli janë të ndryshme, d.m.th. t CH. ≠ t C.ZP .

V rast i përgjithshëm cikli i aksesit përbëhet nga një fazë e tërheqjes (qasjes) dhe një fazë e rigjenerimit (rikuperimit) të kujtesës, prandaj t C> t V.

Performanca e memories mund të karakterizohet gjithashtu nga shpejtësia e transferimit të të dhënave të shkruara ose të lexuara dhe të matura në MB / s.

Konsumi i energjisë për shumë lloje memorie në modalitetin e aksesit është dukshëm më i lartë se në modalitetin e ruajtjes. Kujtesa jo e paqëndrueshme në modalitetin e ruajtjes nuk konsumon fare energji. Por një numër i llojeve të memories, për shembull, memoria dinamike elektronike, kërkojnë cikle rigjenerimi në modalitetin e ruajtjes, kështu që konsumi i energjisë në këtë mënyrë është i krahasueshëm me konsumin e energjisë në modalitetin e aksesit.

Për të krahasuar lloje të ndryshme të memories, është e përshtatshme të përdorni konsumin e energjisë dhe koston e pajisjeve të kujtesës të reduktuara në një qelizë (d.m.th., specifike).

Një parametër i rëndësishëm i kujtesës është gjithashtu gjerësia e autobusit të dhënat e memories, përcaktimi i numrit të bajteve me të cilët një operacion leximi ose shkrimi mund të kryhet njëkohësisht.

Pajisjet e memories VM mund të klasifikohen sipas kritereve të ndryshme: nga parimi fizik i funksionimit, nga qëllimi funksional, nga mënyra e organizimit, nevoja për furnizim me energji elektrike në modalitetin e ruajtjes, etj.

Sipas parimit fizik të funksionimit, memoria klasifikohet në elektronike, magnetike, optike, magnetike - optike.

Memorie elektronike kryhet në elementë gjysmëpërçues dhe zbatohet në formën e një LSI. Kujtesa elektronike ndahet në statike dhe dinamike.

Në LSI të memories statike, nxitjet statike në bipolare ose tranzistorë me efekt në terren... Siç e dini, numri i gjendjeve të qëndrueshme të nxitjes është dy, gjë që bën të mundur përdorimin e tij për të ruajtur një njësi informacioni - pak. Qelizat e memories për ruajtjen e bajteve dhe fjalëve përdorin përkatësisht 8 dhe 16 shkas.

Në memorien dinamike LSI, kondensatorët elektrikë përdoren si qeliza elementare të memories. Prania e një ngarkese korrespondon me ruajtjen e një "1" logjik, mungesa e një ngarkese korrespondon me ruajtjen e një "0" logjike. Ose kapacitetet ndërelektrodike të transistorëve MOS ose kondensatorët e krijuar posaçërisht në kristalin LSI përdoren si kondensatorë ruajtjeje. Një fragment i bllok-diagramit të memories dinamike, që përmban dy qeliza 1 dhe 2, është paraqitur në Fig. 6.1.

Çdo qelizë elementare e memories përmban një kondensator MOS memorie C (të dhjetat e pF) dhe një ndërprerës tranzistor T, i cili e lidh këtë kondensator me autobusin e të dhënave. Porta e ndërprerësit MOS të tranzitorit është e lidhur me daljen përkatëse të dekoderit të adresës. Kur zgjidhet qeliza, çelësi T hapet dhe lidh kondensatorin C me autobusin e të dhënave. Më tej, në varësi të llojit të komandës: shkruani (WR) ose lexo (RD) - përmes amplifikatorit përkatës shkruhen të dhënat hyrëse (DI) ose lexohen të dhënat e daljes (DO).

Krahasuar me memorien statike, memoria dinamike është shumë më e thjeshtë, më e lirë dhe siguron një shkallë shumë të lartë integrimi, d.m.th. kapacitet më të lartë specifik. Por në krahasim me memorien dinamike statike, ajo është më e ngadaltë dhe kërkon rigjenerim (rikthim) periodik të informacionit në qelizat elementare. Me fjalë të tjera, është e nevojshme që periodikisht të rivendoset ngarkesa në kondensatorët e ruajtjes C, të cilët vetë-shkarkohen me kalimin e kohës, d.m.th. "Humb" informacion. Për ta bërë këtë, çdo disa milisekonda (msec) lexoni informacionin nga qelizat e kujtesës dhe më pas rihyrje informacion, i cili ju lejon të rivendosni ngarkesën në kondensatorët e ruajtjes C. Nevoja për të organizuar cikle rigjenerimi periodik (Ciklet e rifreskimit) e ndërlikon disi menaxhimin e memories dinamike.

Për modulet tipike të memories elektronike, koha e marrjes së mostrave t Bështë njësi - dhjetëra nanosekonda ( nsec), dhe kapaciteti i informacionit është dhjetëra - qindra Mbytes.

Memoria elektronike statike dhe dinamike është i paqëndrueshëm, d.m.th. kur furnizimi me energji është i fikur, informacioni në qeliza nuk ruhet. Ka edhe jo të paqëndrueshme memorie elektronike - memorie vetëm për lexim (ROM), informacion nga i cili gjatë funksionimit të VM mund të lexohet vetëm. Vendndodhja e memories ROM do të diskutohet më poshtë.

Kujtesa magnetike bazuar në praninë e një numri materialesh magnetike (për shembull, oksid hekuri) dy gjendje të qëndrueshme të magnetizimit remanent të shenjës së kundërt. Të tillë materiale magnetike karakterizohet nga një lak histerezi në formë drejtkëndëshe B = f (H), dhe prej tyre aplikohet një shtresë magnetike pune, e aplikuar në sipërfaqen e transportuesve të ndryshëm të lëvizshëm - disqe magnetikë. Për të shkruar dhe lexuar informacion, përdorni koka magnetike, të cilët janë induktorë miniaturë të plagosur në një bërthamë magnetike me një hendek. Gjatë regjistrimit, koka magnetike magnetizon pjesën e shtresës magnetike që kalon nën hendekun e punës në drejtimin e përcaktuar nga drejtimi i rrymës rrjedhëse. Gjatë leximit, sipërfaqet e magnetizuara kalojnë pranë kokës së leximit induktiv dhe nxisin impulse emf në të. Pajisjet e memories që përdorin këtë parim kanë një kosto specifike shumë të ulët të ruajtjes së informacionit, janë jo të paqëndrueshme, por, duke qenë elektromekanike, ato janë dukshëm inferiore ndaj memories elektronike për sa i përket shpejtësisë, besueshmërisë dhe konsumit të energjisë. Për disqet e diskut të ngurtë, shpejtësia e transferimit të të dhënave arrin dhjetëra MB / s, dhe kapaciteti i informacionit është qindra GB.

V memorie optike për të ruajtur informacionin, përdoret një ndryshim në vetitë optike (kryesisht, shkalla e reflektimit) të sipërfaqes së bartësit. Media optikeështë bërë në formën e një disku (Compact Disk - CD), shtresa reflektuese (spërkatje metalike) e të cilit është e mbuluar me një shtresë ngjyre organike. Gjatë regjistrimit, rrezja lazer modulohet nga një rrymë pjesësh të regjistruara dhe djeg gropat në shtresën e bojës në pika të caktuara të pistës. Për shkak të ndryshimit në koeficientin e reflektimit të gropave dhe zonave të padjegura të sipërfaqes gjatë leximit, ndodh modulimi i shkëlqimit të rrezes së reflektuar, i cili kodon informacionin e lexuar nga CD. Prodhohen lloje të ndryshme të CD-ve optike: CD-ROM (Memorie vetëm për lexim) - që lejon vetëm leximin e informacionit të shkruar në një mënyrë matrice, CD-R (i Regjistrueshëm) - që lejon të paktën një shkrim një herë në një disk dhe lexime të shumëfishta, CD -RW (ReWritable) - lejimi i rishkrimit të shumëfishtë në disk (dhe sigurisht, leximi). Disqe optike janë të lira dhe kanë një kapacitet të konsiderueshëm informacioni (deri në një GB), janë të paqëndrueshme dhe lehtësisht të zëvendësueshme, por për sa i përket shpejtësisë, besueshmërisë dhe konsumit të energjisë, si dhe disqe magnetike, janë dukshëm inferiorë ndaj memories elektronike.

Për sa i përket funksionalitetit, pajisjet e memories mund të klasifikohen në memorie me akses të rastësishëm (SRAM), memorie me akses të rastësishëm (RAM), memorie vetëm për lexim (ROM) dhe pajisje të ruajtjes së jashtme (VCD).

RAM të destinuara për ruajtjen e programeve (sistemit, aplikacionit) dhe të dhënave të përdorura drejtpërdrejt nga CPU në koha aktuale... Kohët e ciklit të leximit dhe shkrimit për RAM janë zakonisht të njëjta. Zakonisht, memoria dinamike me një vëllim deri në njësi GB përdoret si RAM, në varësi të qëllimit dhe fushëveprimit të MS.

Pozu ose Memoria cacheËshtë një vëllim i vogël memorie e shpejtë, në të cilën kohëzgjatja e ciklit të aksesit t C. është më e vogël se kohëzgjatja e ciklit të makinës së procesorit. Prandaj, kur qaseni në memorien e memories, nuk ka nevojë të futni ciklet e pritjes së procesorit në ciklet e aksesit të memories së makinës. Memoria cache është një memorie buferike midis RAM dhe CPU dhe bazohet në memorie statike. Cache ruan kopjet e blloqeve (faqeve) të programeve dhe të dhënave të atyre zonave të RAM-it në të cilat u bë qasja e fundit, si dhe një drejtori - një listë e korrespondencës së tyre aktuale me zonat e RAM. Në çdo akses në memorien kryesore, kontrolluesi i cache-it të drejtorisë kontrollon nëse ka një kopje të vlefshme të bllokut (faqes) të kërkuar në cache. Nëse ka një kopje, atëherë ky është rasti. goditjet e cache-it, dhe vetëm memoria e memories aksesohet për të dhëna ose kode. Nëse nuk ekziston një kopje e vlefshme, atëherë ky është rasti. humbje të holla, dhe blloku (faqja) e kërkuar nga RAM-i shkruhet në cache, dhe shkrimi bëhet në vendin e bllokut (faqe) më pak aktual të fshirë më parë nga cache në RAM, d.m.th. blloku i informacionit, numri i thirrjeve në të cilin ishte më i vogli. Për shkak të programeve dhe të dhënave të qenësishme të tilla vetitë themelore, si hapësinore dhe lokalitet i përkohshëm/ 2,7,13 / numri i goditjeve të cache është shumë herë më i madh se numri i humbjeve të cache, edhe me memorie të vogël (njësi - dhjetëra KB) cache. Prandaj, përdorimi i memories cache përmirëson ndjeshëm performancën e VM. Zakonisht cache zbatohet sipas një skeme me tre nivele: cache parësore (L1 Cache), dhjetëra KB në vëllim dhe cache sekondare (L2 Cache), me një vëllim prej qindra KB, ndodhet në kristal MP. , në cache të nivelit të tretë (L3 Cache), njësitë MB janë instaluar motherboard ose në banesën e deputetit.

ROMËshtë një memorie elektronike jo e paqëndrueshme që përdoret për të ruajtur informacionin që është i pandryshuar ose i ndryshuar rrallë gjatë funksionimit të një VM: softueri i sistemit (BIOS), softueri aplikativ për VM-të e integruara dhe në bord, grupe tabelash, parametra konfigurimi sisteme të ndryshme etj. Mënyra kryesore e funksionimit të ROM-it është leximi, i cili krijon një emër tjetër të zakonshëm për një ROM të tillë memorie (Read Only Memory). Shkrimi i informacionit në ROM, i quajtur programim, zakonisht është shumë më i vështirë, kërkon më shumë kohë dhe energji sesa leximi.

VCU janë të destinuara për ruajtjen jo të paqëndrueshme të vëllimeve të mëdha të informacionit të strukturuar në një mënyrë të caktuar: skedarë, baza të të dhënave, arkiva. Veçori karakteristike memoria e jashtme është se pajisjet e saj funksionojnë me blloqe informacioni, dhe jo me bajt ose fjalë, siç lejon RAM-i. Përveç kësaj, procesori mund të hyjë në OVC vetëm përmes RAM-it. Disqet e diskut (HDD, CD) zakonisht përdoren si VCU, të cilat mund të ruajnë qindra GB informacion.

Bufer memorie elektronike të përfshira në kontrollorët e ndryshme pajisje të jashtme, zgjidhjen e problemeve shfaqja dhe futja e informacionit, detyrat e komunikimit, konvertimi i sinjalit, etj. Prania e një memorie buferi ju lejon të përputheni me shpejtësi të konsiderueshme të ndryshme të transferimit të të dhënave autobusin e sistemit dhe pajisjet e jashtme, zvogëloni kohën e përdorimit të secilës prej pajisjeve të jashtme në autobusin e sistemit dhe rrisni performancën e VM.

Mënyra e organizimit të kujtesës përcaktohet nga mënyra e vendosjes dhe kërkimit të informacionit në memorie. Mbi këtë bazë, bëni dallimin midis organizimit të memories së adresës, asociative dhe stek.

V kujtesa e adresave për të hyrë në qelizat e kujtesës, ato përdoren adresat, të cilat kuptohen si kode të numrit të qelizave të kujtesës. Organizimi i memories së adresueshme lejon hyrjen në qelizat e memories me adresat e tyre në renditje e rastësishme, dhe koha e ciklit është e njëjtë për të gjitha qelizat, pavarësisht nga adresa. Prandaj, termi "memorie me akses të rastësishëm (RAM)" ose RAM (Random Access Memory) përdoret gjithashtu për të emërtuar një memorie të tillë. Për shembull, RAM dhe ROM kanë një organizim memorie të adresueshme.

V kujtesa asociative Informacioni (ADS) nuk kërkohet nga adresat e qelizave të memories, por nga përmbajtja e tyre ose një pjesë e saj. Në rastin e përgjithshëm, një kërkesë për memorien shoqëruese kryhet duke specifikuar një listë bitesh me të cilat kërkohet një qelizë memorie dhe duke specifikuar përmbajtjen e biteve të alokuara. Lista e shifrave për kërkim është vendosur në regjistër-maskë. Ky regjistër ka të njëjtën gjerësi biti si qeliza e memories CAM dhe përmban të tilla vetëm në ato bit që janë duke u kërkuar. V rast-kontekst vendoset përmbajtja e këtyre biteve dhe gjerësia e bitit është e barabartë me gjerësinë e bitit të regjistrit të maskës.

Nëse gjendet një qelizë me një kombinim të caktuar zero dhe njësh, CAM gjeneron një përgjigje pozitive që tregon adresën e qelizës së gjetur. Më pas, adresa transmetohet në dekoderin e adresës dhe e gjithë përmbajtja e një qelize të tillë mund të lexohet ose mund të shkruhen përmbajtje të reja në të. Përndryshe, AMS gjeneron një përgjigje negative ndaj kërkesës.

Kërkimi i informacionit sipas kontekstit në CAM kryhet njëkohësisht në të gjitha qelizat e memories, prandaj, CAM është shumë herë më i shpejtë se RAM, por është gjithashtu shumë më i shtrenjtë. Në sistemet moderne kompjuterike, CAM përdoren, për shembull, si pjesë e memories cache.

Stack memorie(Stack), si dhe asociative, është e paadresuar. Një pirg mund të shihet si një koleksion qelizash që formojnë një grup njëdimensional, në të cilin qelizat ngjitur janë të lidhura me njëra-tjetrën me zinxhirë transmetimi të fjalëve bit. Në këtë memorie shkrimi dhe leximi kryhen sipas rregullit “i pari lexohet i shkruari i fundit” ose “Last Input First Output (LIFO)”. Prandaj, pirgu quhet "push" memorie me rend i kundërt Lexo. Zakonisht grumbulli organizohet në RAM. Numri i fjalëve në pirg përcaktohet nga treguesi i stivës SP, dhe shkrimi dhe leximi nga pirgu kryhet nga komandat PUSH dhe POP, përkatësisht. Memoria e stivës përdoret gjerësisht, siç u diskutua më lart, kur trajtohen ndërprerjet dhe thirren nënprogramet.

Së bashku me memorien e stivit, memoria e blerë nga dyqani me porosi të drejtpërdrejtë të leximit është bërë e përhapur, d.m.th. "Shkrimi i parë lexohet i pari" ose "First Input First Output (FIFO)". Kjo memorie quhet memorie buferike dhe, si stack, është e organizuar në RAM.

Organizimi i nënsistemit të memories në një PC

Kujtimet e nënsistemit të memories PC mund të organizohen në hierarkinë e mëposhtme (Tabela 9.1):

Tabela 9.1. Hierarkia e nënsistemit të memories PC
№	Lloji i memories	viti 1985	viti 2000
Koha e marrjes së mostrave	Vëllimi tipik	Çmimi / Bajt	Koha e marrjes së mostrave	Vëllimi tipik	Çmimi / Bajt
	Kujtesa super-operative (regjistrat)	0,2 5 ns	16/32 bit	$ 3 - 100	0,01 1 ns	32/64/128 bit	$ 0,1 10
	Ruajtja e tamponit me shpejtësi të lartë (cache)	20 100 ns	8 Kb - 64 Kb	~ $ 10	0,5 - 2 ns	32 Kb 1 Mb	$ 0,1 - 0,5
	Kujtesa operative (kryesore).	~ 0,5 ms	1 MB - 256 MB	$ 0,02 1	2 ns 20 ns	128 MB - 4 GB	$ 0,01 0,1
	Magazinimi i jashtëm (ruajtje masive)	10 - 100 ms	1 MB - 1 GB	$ 0,002 - 0,04	5 - 20 ms	1 GB - 0,5 TB	$ 0,001 - 0,01

Regjistrat e procesorit përbëjnë kontekstin e tij dhe ruajnë të dhënat e përdorura nga udhëzimet aktualisht ekzekutuese të procesorit. Regjistrat e procesorëve zakonisht arrihen nga emërtimet e tyre kujtese në udhëzimet e procesorit.

Cache përdoret për të përputhur shpejtësinë e CPU-së dhe kujtesës kryesore. Sistemet kompjuterike përdorin një cache me shumë nivele: cache e nivelit I (L1), cache e nivelit II (L2), etj. Sistemet e desktopit zakonisht përdorin një memorie të fshehtë me dy nivele, ndërsa sistemet e serverëve përdorin një memorie memorie me tre nivele. Cache ruan udhëzime ose të dhëna që ka të ngjarë t'i dërgohen procesorit për përpunim në të ardhmen e afërt. Funksionimi i cache-it është transparent ndaj softuerit, kështu që cache zakonisht nuk është i aksesueshëm nga softueri.

RAM ruan, si rregull, module softuerike të plota funksionalisht (kerneli i sistemit operativ, programet e ekzekutueshme dhe bibliotekat e tyre, drejtuesit e pajisjeve, etj.) dhe të dhënat e tyre, të përfshira drejtpërdrejt në punën e programeve, dhe përdoret gjithashtu për të ruajtur rezultatet e llogaritjet ose përpunimin e të dhënave të tjera përpara se t'i dërgoni në një memorie të jashtme, në një pajisje dalëse të dhënash ose ndërfaqe komunikimi.

Çdo qelizë memorie i është caktuar një adresë unike. Metodat organizative të alokimit të memories u ofrojnë programuesve aftësinë për të përdorur në mënyrë efikase të gjithë sistemin kompjuterik. Këto metoda përfshijnë modelin e kujtesës së vazhdueshme ("të sheshtë") dhe modelin e memories së segmentuar. Kur përdorni një model të sheshtë memorie, programi funksionon me një hapësirë ​​të vetme adresash të vazhdueshme, një hapësirë ​​​​lineare adresash, në të cilën qelizat e memories numërohen në mënyrë sekuenciale dhe të vazhdueshme nga 0 në 2n-1, ku n është kapaciteti i CPU-së në adresë. Kur përdorni një model të segmentuar për një program, memoria përfaqësohet nga një grup blloqesh adresash të pavarura të quajtura segmente. Për të adresuar një bajt memorie, një program duhet të përdorë një adresë logjike të përbërë nga një përzgjedhës segmenti dhe një zhvendosje. Përzgjedhësi i segmentit zgjedh një segment specifik dhe zhvendosja tregon një qelizë specifike në hapësirën e adresave të segmentit të zgjedhur.

Metodat organizative të alokimit të memories bëjnë të mundur organizimin e një sistemi kompjuterik në të cilin hapësira e adresës së punës së programit tejkalon madhësinë e RAM-it të disponueshëm aktualisht në sistem, ndërsa mungesa e RAM-it plotësohet nga memoria e jashtme më e ngadaltë ose më e lirë (hard drive , flash memorie etj.) ) Ky koncept quhet memorie virtuale. Në këtë rast, hapësira lineare e adresave mund të vendoset në hapësirën e adresave fizike ose drejtpërdrejt (një adresë lineare është një adresë fizike), ose duke përdorur mekanizmin e paging. Në rastin e dytë, hapësira lineare e adresave ndahet në faqe me madhësi të barabartë që përbëjnë memorien virtuale. Paging ofron një hartë të faqeve të memories së kërkuar virtuale në hapësirën fizike të adresave.

Përveç zbatimit të sistemit të memories virtuale, pajisjet e ruajtjes së jashtme përdoren për ruajtjen afatgjatë të programeve dhe të dhënave në formën e skedarëve.

Memorie cache

Memoria e memories së memories është një pajisje ruajtëse me shpejtësi të lartë e vendosur në të njëjtin model si CPU ose e jashtme e CPU-së. Cache shërben si një tampon me shpejtësi të lartë midis CPU-së dhe memories kryesore relativisht të ngadaltë. Ideja e memories cache bazohet në parashikimin e akseseve më të mundshme të CPU në RAM. Kjo qasje bazohet në parimin e lokalitetit kohor dhe hapësinor të programit.

Nëse CPU ka aksesuar një objekt në RAM, ka shumë të ngjarë që CPU së shpejti t'i referohet atij objekti përsëri. Një shembull i kësaj situate do të ishte kodi ose të dhënat në sythe. Ky koncept përshkruhet nga parimi i lokalitetit të përkohshëm, sipas të cilit objektet e përdorura shpesh të memories kryesore duhet të jenë "më afër" me CPU (në cache).

Tre metoda të shkrimit përdoren për të harmonizuar përmbajtjen e cache dhe RAM:

• Shkruani përmes - njëkohësisht me memorien e memories, RAM-i përditësohet.
• Shkrimi në bufer - informacioni vonohet në buferin e memories së memories përpara se të shkruhet në RAM dhe të rishkruhet në RAM në ato cikle kur CPU nuk po i qaset.
• Shkruaj përsëri - përdoret biti i ndryshimit në fushën e etiketës dhe linja rishkruhet në RAM vetëm nëse biti i ndryshimit është 1.

Si rregull, të gjitha metodat e shkrimit, përveç kalimit, lejojnë shtyrjen dhe grupimin e shkrimeve në RAM për të rritur performancën.

Në strukturën e memories cache, dallohen dy lloje të blloqeve të të dhënave:

• memoria e shfaqjes së të dhënave (në fakt vetë të dhënat, të dyfishuara nga RAM);
• memoria e etiketave (shenjat që tregojnë vendndodhjen e të dhënave të ruajtura në RAM).

Hapësira e memories për shfaqjen e të dhënave në cache ndahet në rreshta - blloqe me gjatësi fikse (për shembull, 32, 64 ose 128 byte). Çdo rresht i cache-it mund të përmbajë një bllok të rreshtuar të njëpasnjëshëm të bajteve nga memoria kryesore. Cili bllok i RAM-it është hartuar në një linjë të caktuar të cache-it përcaktohet nga etiketa e linjës dhe algoritmi i hartës. Sipas algoritmeve për hartimin e RAM-it në cache, ekzistojnë tre lloje të memories cache:

• cache plotësisht shoqëruese;
• cache e ekranit të drejtpërdrejtë;
• cache e shumëfishtë asociative.

Është karakteristikë e një cache plotësisht shoqëruese që kontrolluesi i cache-it mund të vendosë çdo bllok RAM në çdo linjë të memories cache (Figura 9.1). Në këtë rast, adresa fizike ndahet në dy pjesë: kompensimi në bllok (linja e cache) dhe numri i bllokut. Kur një bllok vendoset në cache, numri i bllokut ruhet në etiketën e linjës përkatëse. Kur CPU i qaset cache-it për blloku i nevojshëm, humbja e cache-it do të zbulohet vetëm pasi të krahasohen etiketat e të gjitha rreshtave me numrin e bllokut.

Një nga avantazhet kryesore të kësaj metode të ekranit është përdorimi i mirë i RAM-it, pasi nuk ka asnjë kufizim se cili bllok mund të vendoset në një linjë të caktuar cache. Disavantazhet përfshijnë zbatimin kompleks të harduerit të kësaj metode, e cila kërkon një sasi të madhe qarku (kryesisht krahasues), gjë që çon në një rritje të kohës së hyrjes në një cache të tillë dhe një rritje të kostos së saj.

Zmadhoni imazhin
Oriz. 9.1. Cache plotësisht shoqëruese 8x8 për një adresë 10-bit

Mënyra alternative Hartëzimi nga memoria në cache janë një memorie memorike e hartuar përpara (ose një memorie shoqëruese e njëanshme). Në këtë rast, adresa e memories (numri i bllokut) përcakton në mënyrë unike linjën e memories në të cilën do të vendoset ky bllok. Adresa fizike është e ndarë në tre pjesë: kompensimi i bllokut (linja e cache-it), numri i linjës së memories dhe etiketa. Ky apo ai bllok do të përshtatet gjithmonë në një linjë të cache të përcaktuar rreptësisht, duke zëvendësuar një bllok tjetër të ruajtur atje nëse është e nevojshme. Kur CPU-ja po i qaset cache-së për një bllok që i nevojitet, i duhet vetëm të kontrollojë një linjë të vetme etiketash për të përcaktuar një goditje ose humbje të cache.

Përparësitë e dukshme të këtij algoritmi janë thjeshtësia dhe kostoja e ulët e zbatimit. Disavantazhet përfshijnë efikasitetin e ulët të një cache të tillë për shkak të mundësisë rindezje të shpeshta linjat. Për shembull, kur i referohemi secilës qelizë të 64-të të memories në sistem në Fig. 9.2, kontrolluesi i cache-it do të detyrohet të mbingarkojë vazhdimisht të njëjtën linjë cache, plotësisht pa përdorur pjesën tjetër.

Zmadhoni imazhin
Oriz. 9.2. 8x8 cache e hartës përpara për adresën 10-bit

Pavarësisht nga të metat e dukshme, këtë teknologji gjeti një aplikacion të suksesshëm, për shembull, në MP Motorola MC68020, për organizimin e cache-it të udhëzimeve të nivelit të parë (Fig. 9.3). Ky mikroprocesor implementon një memorie të drejtpërdrejtë të ekranit prej 64 rreshtash me 4 bajt. Etiketa e vargut, përveç 24 biteve që specifikojnë adresën e bllokut të memorizuar, përmban një bit domethënës, i cili përcakton vlefshmërinë e vargut (nëse vlera e bitit është 0, ky varg konsiderohet i pavlefshëm dhe nuk do të shkaktojë një memorie të fshehtë. goditi). Qasja e të dhënave nuk është memorie e fshehtë.

Zmadhoni imazhin
Oriz. 9.3. Diagrami i organizimit të memories cache në MP Motorola MC68020

Kompensimi ndërmjet dy algoritmeve të para është cache e shumëfishtë shoqëruese ose memoria e fshehtë e pjesshme asociative (Figura 9.4). Me këtë metodë të organizimit të memories cache, linjat kombinohen në grupe, të cilat mund të përfshijnë linja 2, 4,:. Në përputhje me numrin e linjave në grupe të tilla, dallohen 2-hyrje, 4-hyrje etj. cache asociative. Kur aksesoni memorien, adresa fizike ndahet në tre pjesë: kompensimi në bllok (linja e cache), numri i grupit (seti) dhe etiketa. Një bllok memorie adresa e të cilit i përgjigjet një grupi të caktuar mund të vendoset në çdo rresht të këtij grupi dhe vlera përkatëse vendoset në etiketën e linjës. Natyrisht, brenda grupit të përzgjedhur respektohet parimi i asociativitetit. Nga ana tjetër, ky apo ai bllok mund të bjerë vetëm në një grup të përcaktuar rreptësisht, i cili i bën jehonë parimit të organizimit të memories së ekranit të drejtpërdrejtë. Në mënyrë që procesori të jetë në gjendje të identifikojë mungesën e cache-it, do t'i duhet të kontrollojë etiketat e vetëm një grupi (2/4/8 /: rreshtat).

Zmadhoni imazhin
Oriz. 9.4. Cache shoqëruese me dy hyrje 8x8 për adresën 10-bit

Ky algoritëm ekrani kombinon avantazhet e një cache plotësisht shoqëruese (shfrytëzimi i mirë i memories, shpejtësia e lartë) dhe një cache akses direkt(thjeshtësia dhe kosto e ulët), vetëm pak inferiore në këto karakteristika ndaj algoritmeve origjinale. Kjo është arsyeja pse cache-i i shumëfishtë asociativ është më i përhapuri (Tabela 9.2).

Tabela 9.2. IA-32 Specifikimet e nënsistemit të memories së memories
	Intel486	Pentium	Pentium MMX	P6	Pentium 4
L1 memoria e instruksionit
Një lloj	4-inç. asoc.	2-inç. asoc.	4-inç. asoc.	4-inç. asoc.	8-inç. asoc.
Madhësia e rreshtit, bajt					-
Vëllimi total, KB	8/16			8/16	12 Kmops
L1 cache e të dhënave
Një lloj	E ndarë me memorien e instruksioneve	2-inç. asoc.	4-inç. asoc.	2/4-in. asoc.	4-inç. asoc.
Madhësia e rreshtit, bajt
Vëllimi total, KB			8/16
L2 cache
Një lloj	E jashtme	e jashtme 4 inç. asoc.	4-inç. asoc.	8-inç. asoc.
Madhësia e rreshtit, bajt
Vëllimi total, KB	256/512	128-2048	256/512

Shënime: Intel-486 përdor një udhëzim të vetëm L1 dhe cache të të dhënave. Në Pentium Pro L1, cache e të dhënave është 8 Kbajt shoqëruese 2-kahëshe, në modelet e tjera P6 është 16 Kbajt shoqëruese 4-kahëshe. Në Pentium 4, në vend të cache-it të udhëzimeve L1, përdoret cache mikro-op L1 (cache gjurmë).

Për të organizuar memorien e memories, mund të përdorni arkitekturën e Princeton (cache e përzier për udhëzime dhe të dhëna, për shembull, në Intel-486). Kjo e qartë (dhe e pashmangshme për sistemet von Neumann me memorie cache jashtë CPU) nuk është gjithmonë zgjidhja më efikase. Ndarja e memories cache në memorien e instruksioneve dhe të dhënave (cache e arkitekturës së Harvardit) përmirëson efikasitetin e cache-së për arsyet e mëposhtme:

• Shumë procesorë modernë kanë një arkitekturë me tubacion në të cilën blloqet e tubacioneve shkojnë paralelisht. Kështu, marrja e instruksionit dhe qasja e të dhënave të instruksionit kryhen në faza të ndryshme të tubacionit, dhe përdorimi i memories së veçantë të cache-it lejon që këto operacione të kryhen paralelisht.
• Cache e udhëzimeve mund të zbatohet vetëm për lexim, prandaj, nuk kërkon zbatimin e ndonjë algoritmi shkruaj përsëri gjë që e bën këtë memorie më të thjeshtë, më të lirë dhe më të shpejtë.

Kjo është arsyeja pse të gjitha modelet më të fundit IA-32, duke filluar me Pentium, përdorin arkitekturën e Harvardit për të organizuar cache-në L1.

Kriteri punë efektive Memoria e memories mund të konsiderohet si një ulje e kohës mesatare të hyrjes në memorie në krahasim me një sistem pa një memorie të fshehtë. Në këtë rast, koha mesatare e aksesit mund të vlerësohet si më poshtë:

T cf = (T goditur x R goditje) + (T humbasë x (1 R goditje))

ku T hit është koha e hyrjes në memorien e memories në rast të një goditjeje (përfshin kohën për të identifikuar një humbje ose goditje), T miss është koha e nevojshme për të ngarkuar një bllok nga memoria kryesore në një linjë cache në rast të një humbja e cache-it dhe më pas dorëzoni të dhënat e kërkuara te procesori, R hit-hits rate.

Natyrisht, sa më afër vlera e R goditi 1, aq më afër vlera e T cf me T hit. Shkalla e goditjes përcaktohet kryesisht nga arkitektura dhe madhësia e cache-it. Ndikimi i pranisë dhe mungesës së memories cache dhe madhësisë së saj në rritjen e performancës së CPU është paraqitur në tabelë. 9.3.