 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Иерархическая организация памяти ЭВМ
Характеристики объема памяти и ее быстродействия являются взаимно противоречивыми с точки зрения стоимости. Оперативная память минимум на три порядка быстрее внешней памяти, но, как правило, является энергозависимой и стоит значительно дороже и, главное, имеет ограниченный объем. Для решения этой проблемы память в ЭВМ организуется по иерархическому принципу. Память современных ЭВМ представляет собой многоуровневую иерархическую структуру, 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 пользуются только два близлежащих уровня. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называетсяблоком. Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока. Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню памяти называются соответственнопопаданием (hit) или промахом (miss). Попадание - есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне, в то время какпромах 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 увеличение производительности является главной причиной появления иерархии памяти, частота попаданий и промахов является важной характеристикой. Время обращения при попадании (hit time) есть время обращения к более высокому уровню иерархии, которое включает в себя, в частности, и время, необходимое для определения того, является ли обращение попаданием или промахом. Потери на промах (miss penalty) есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство. Потери на промах далее включают в себя две компоненты: время доступа (access time) - время обращения к первому слову блока при промахе, и время пересылки (transfer time) - дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней. Очевидно, что при низком коэффициенте попаданий быстродействие иерархической структуры будет стремиться к быстродействию самого низкого, медленного уровня иерархии. В современных ЭВМ коэффициент попаданий достаточно высок, что обеспечивается соблюдением принципа локальности по обращению. Если рассмотреть процесс выполнения большинства программ, то можно заметить, что с очень высокой вероятностью адрес очередной команды программы либо следует непосредственно за адресом, по которому была считана текущая команда, либо расположен вблизи него. Такое расположение адресов называется пространственной локальностью программы. В свою очередь, обрабатываемые данные, как правило, структурированы, и такие структуры обычно хранятся в последовательных ячейках памяти. Данная особенность называется пространственной локальностью данных. Кроме того, программы содержат множество небольших циклов и подпрограмм, при этом небольшие, локально расположенные наборы команд могут многократно повторяться в течение некоторого интервала времени. Данная особенность носит название временной локальности программы. Все три вида локальности и объединяет понятие локальности по обращению. Часто принцип локальности представляют в виде так называемого правила «90/10», означающим, что 90% времени работы программы связано с доступом к 10% адресного пространства этой программы.
Рис. 3.1. Иерархическое построение памяти Из рис. 3.1 видно, что иерархическое построение памяти дает увеличение емкости памяти. При этом нетрудно увидеть, что обмен данными между быстродействующей и медленнодействующей памятью должен осуществляться в соответствии с алгоритмом доступа к каждому ЗУ и является большой нагрузкой при программировании. Как выход из сложившейся ситуации явилось рождение идеи виртуальной памяти. Под виртуализациейпонимается метод автоматического управления иерархической памятью таким образом, что программисту кажется, что существует одна быстродействующая память большой емкости. На рис. 3.1 показано, как определяется взаимодействие между различными уровнями иерархии памяти. Самый быстрый, но и минимальный по емкости тип памяти – это внутренние регистры процессора, которые иногда объединяют понятием сверхоперативное запоминающее устройство – СОЗУ. Количество внутренних регистров сравнительно невелико, даже в RISC-процессорах не превышает нескольких сотен. Оперативная память значительно большей емкости располагается несколькими уровнями ниже. Между ОП и регистрами размещаются несколько уровней кэш-памяти, которая по емкости существенно проигрывает ОП, но значительно превосходит ее по быстродействию, уступая в то же время регистрам. Уровни кэш-памяти обозначаются буквой L и номером уровня. Современные ЭВМ, как правило, имеют два уровня кэш-памяти (см. рис. 3.1), хотя в новейших разработках появляется также третий уровень (L3), причем разработчики говорят о целесообразности введения и четвертого уровня L4. СОЗУ, кэш-память и ОП образуют внутреннюю память ЭВМ. Обмен информации между магнитными дисками и основной памятью значительно убыстряется за счет введения дополнительного уровня – дисковой кэш-памяти. Дисковая кэш-память реализуется в виде самостоятельного ЗУ, включаемого в состав магнитного диска. Нижние уровни иерархии – память на магнитных лентах и оптических дисках – служат для долговременного хранения информации (программ и данных). В целом можно сказать, что иерархическое построение памяти характеризуется следующими положениями: 1. Имеется несколько иерархических уровней хранения организованной в блоки информации. 2. Иерархические уровни памяти отличаются по быстродействию и емкости, причем более быстродействующие памяти имеют меньшую емкость и располагаются на более высоком уровне иерархии, ближе к процессору. 3. Первое обращение к блоку информации приводит, как правило, к перемещению блока с более медленного уровня иерархии на более быстрый. За счет принципа локальности по обращению, последующие обращения к этому блоку приводят к выборке только из быстродействующей памяти. Иерархической памяти свойственно уменьшение среднего времени обслуживания ЦП. В некоторых случаях это время характеризуют эффективным временем цикла обращенияTэф. Эта обобщенная характеристика производительности иерархической памяти является функцией всех компонентов памяти, а также способа взаимодействия между этими компонентами и процессором (или процессорами для случая параллельной ВС). Если, например, память имеет двухуровневую структуру – ОП и кэш-память, то Tэф можно записать в виде следующей функции:
где TОП - время цикла ОП; Tкэш - время цикла кэш-памяти; P- вероятность промаха; C- некоторая характеристика структурной организации двухуровневой памяти, которая, как правило, определяется экспериментально. В общем случае для оптимизации структуры управления памятью необходимо: 1. Уменьшить вероятность промаха. 2. Уменьшить время выборки информации из памяти более высокого уровня. 3. Сократить время пересылки информации из памяти более низкого уровня в память более высокого уровня и обратно (сохранение измененной информации). 4. Обеспечить целостность данных на всех уровнях иерархии, в т.ч. и для случая многопроцессорных ВС.
|
