Иерархия памяти

Организация памяти вычислительных систем.

Совершенствование организации памяти вычислительных систем всегда было связано с достижением более высокой производительности работы системы, развитием параллелизма обработки данных.

Основными проблемами в организации памяти являются организация иерархии ее уровней и предоставление для задачи виртуальной памяти, отображающейся на различные компоненты и уровни физической памяти.

Иерархия уровней памяти используется для размещения часто используемой информации (программ и данных) в более быстродействующих (“верхних”) уровнях памяти с возможностью в случае необходимости передачи в них информации из менее быстродействующих уровней существенно большего объема. Результаты обработки информации, которые подлежат хранению на более длительный срок, также размещаются менее быстродействующей (“нижних”) уровнях.

При длительной обработке информации и, естественно, ее изменении в верхних уровнях памяти (в которых она не сохраняется при отключении электропитания) желательным является ее периодическое сохранение в нижних уровнях (в которых осуществляется запись на магнитные носители). Наличие одинаковой информации на различных уровнях памяти называется “когерентностью” памяти.

Основными уровнями в иерархии памяти являются:

- уровни быстродействующей памяти относительно небольшого объема по сравнению с объемом следующего основного уровня – оперативной памяти. Как правило, используются наборы “сверхбыстродействующих регистров” для выбора данных из них (для выполнения операций в процессорах) и записи данных в них (результатов выполнения операций в процессорах) практически без задержки. Информация на эти уровни при необходимости передается из следующего основного уровня существенно большего объема – оперативной памяти (или передается в обратном направлении). Сверхбыстродействующие памяти и оперативная память физически реализуются на интегральных схемах, но быстродействие этих схем разное. Объемы указанных уровней памяти изменяются в обратной пропорциональности по отношению к изменению их быстродействия.

- уровень оперативной памяти физически эффективно используется при разделении ее на набор параллельно работающих блоков (“расслоение ” памяти).

Эффективное использование оперативной памяти для информации нескольких задач, выполняемых в многозадачном (многопрограммном) режиме реализуется за счет отображения на нее “виртуальных” памятей этих задач. При этом при отсутствии места в оперативной памяти для такого отображения приходится использовать для размещения виртуальной памяти задач и “нижний” уровень иерархии памяти (магнитные диски).

- уровень памяти на магнитных дисках может иметь несколько каналов (“направлений”) считывания/записи информации и по несколько устройств, подключаемых к каждому из этих каналов.

В ряде случаев вводится промежуточный уровень “массовой” памяти, располагаемый между оперативной памятью и памятью на магнитных дисках, для размещения в нем “активных” файлов, используемых в задачах, требующих большого числа передач данных из этих файлов (и записи в них) и осуществляющих относительно небольшой объем их обработки процессором. Массовая память большого объема реализуется, естественно, на более медленных интегральных схемах, чем оперативная память. Уровень массовой памяти помогает сгладить дисбаланс между высоким быстродействием процессора и относительно небольшой скоростью работы магнитных дисков. Естественно при этом стремиться к обеспечению когерентности массовой памяти и памяти на магнитных дисках.

В связи с существенным увеличением объема памяти на магнитных дисках использование памяти на магнитных лентах резко сократилось. В некоторых вычислительных центрах осуществляется периодическое (например, один раз в сутки) сохранение изменившихся файлов с магнитных дисков на “магнитные катушки”.