5. Основная память
Основная память (ОП) представляет собой единственный тип памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно (исключение составляют лишь регистры ЦП). Информация, хранящаяся на внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память.
Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным доступом. Такие ЗУ состоят из массива ячеек. Каждая ячейка содержит фиксированное число запоминающих элементов и имеет уникальный адрес.
Основная память может включать в себя два типа устройств: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).
5.1. Блочная организация основной памяти
Емкость основной памяти ВМ слишком велика, чтобы её можно было реализовать на базе единственной интегральной микросхемы (ИМС). Необходимость объединения нескольких ИМС ЗУ возникает также, когда разрядность ячеек в микросхеме ЗУ меньше разрядности слов ВМ.
Увеличение разрядности ЗУ реализуется за счет объединения адресных входов объединяемых ИМС ЗУ. Информационные входы и выходы микросхем являются входами и выходами модуля ЗУ увеличенной разрядности. Полученную совокупность микросхем называют модулем памяти. Модулем можно считать и единственную микросхему, если она уже имеет нужную разрядность. Один или несколько модулей образуют банк памяти.
Рис. 10. Увеличение разрядности памяти.
Для получения требуемой емкости ЗУ нужно определенным образом объединить несколько банков памяти меньшей емкости.
Блочное построение позволяет сократить время доступа к информации. Это возможно благодаря потенциальному параллелизму, присущему блочной организации. Большей скорости доступа можно достичь за счет одновременного доступа ко многим банкам памяти. Одна из используемых для этого методик называется расслоением памяти. В её основе лежит так называемое чередование адресов, заключающееся в изменении системы распределения адресов между банками памяти.
Прием чередования адресов базируется на свойстве локальности по обращению, согласно которому последовательный доступ к памяти обычно производится к ячейкам, имеющим смежные адреса. Для этого достаточно сделать так чтобы для выбора банка использовались два младших разряда, а для выбора ячейки – все остальные разряды.
Поскольку в каждом такте на шине адреса/данных может присутствовать адрес только одной ячейки, параллельное обращение к нескольким банкам невозможно, однако оно может быть организовано со сдвигом на один такт. Адрес ячейки запоминается в индивидуальном регистре адреса, и дальнейшие операции по доступу к ячейке в каждом банке протекает независимо. Таким образом, мы достаточно быстро можем передать блок ОП (4 слова) в кэш память.
При такой организации мы можем организовать без особых проблем и прямую связь кэш-памяти и ОП, передовая четыре слова параллельно.
Рис. 11. блочная память с чередованием адресов.
5.2. Сегментно-страничная организация памяти
Виртуальная память есть способ организации памяти муль типрограммной вычислительной системы, при котором дости гается гибкое динамическое распределение памяти, устраняется её фрагментация и создаются значительные удобства для ра боты программистов. Это удается достигнуть без заметного снижения производительности машины ценой усложнения аппаратуры и операционной системы и процессов их функциони рования.
Принцип виртуальной памяти предполагает, что пользова тель при подготовке своей программы имеет дело не с физиче ской ОП, действительно работающей в составе вычислитель ной установки и имеющей некоторую фиксированную емкость, а с виртуальной (т. е. кажущейся) одноуровневой памятью, объем которой равен всему адресному пространству, опреде ляемому размером адресных полей в форматах команд.
Пользователь имеет в своем распоряжении все адресное пространство системы независимо от объема ее физической па мяти и объемов памяти, необходимых для других программ, участвующих в мультипрограммной обработке.
На всех этапах подготовки программ, включая загрузку в оперативную память, программа представляется в вир туальных адресах, и лишь при самом исполнении машинной команды производится преобразование виртуальных адресов в реальные адреса действующей памяти (в так называемые фи зические адреса).
Преобразование виртуальных адресов в физические упро щается и устраняется фрагментация памяти, если физическую и виртуальную память разбить на блоки, называемые в этом случае страницами, содержащие одно и то же число байт. Страницам виртуальной и физической памяти присваивают номера, называемые номерами соответственно виртуальных и физических страниц. Каждая физическая страница способна хранить одну из виртуальных страниц. Порядок расположения (нумерация) байт в виртуальной и физической страницах сохра няется одним и тем же.
Если требуемая страница находится во внешней памяти, то обращение к ОП не может состояться немедленно: операционная система должна организовать передачу из внешней памяти в ОП нужной страницы.
Для каждой из программ, обрабатываемых в мультипро граммном режиме, организуется своя виртуальная память и со здается своя страничная таблица, при этом все программы де лят между собой одну общую физическую память.
Страничные таблицы программ хранятся в ОП, и обраще ние к нужной строке активной страничной таблицы в ОП про исходит по адресу, который определяется номером активной программы и номером виртуальной страницы.
Сегментно-страничная организация памяти. До сих пор предполагалось, что виртуальная память, которой располагает программист, представляет собой непрерывный массив с еди ной нумерацией байт. Однако программа обычно состоит из нескольких массивов — подпрограмм, одной или нескольких секций данных. Так как заранее длины этих массивов не известны, то удобно, чтобы при программировании каждый массив имел свою собственную нумерацию байт, начинающую ся с нуля и продолжающуюся в возрастающем порядке. Жела тельно также, чтобы составленная таким образом программа могла работать при динамическом распределении памяти, не требуя от программиста усилий по объединению различных ее частей в единый массив. Эта задача решается путем использования особого метода преобразования виртуальных адресов в физические, называемо го сегментно-страничной организацией памяти.
Виртуальная память каждой программы делится на части, именуемые сегментами, с независимой адресацией байт внутри каждой части. К виртуальному адресу следует добавить допол нительные разряды левее номера страницы; эти разряды опре деляют номер сегмента.
Возникает определенная иерархия в организации программ, состоящая из четырех ступеней: 1) программа, 2) сегмент, 3) страница, 4) байт. Этой иерархии программ соответствует иерархия таблиц, служащих для перевода виртуальных адресов в физические. Программная таблица для каждой программы, загруженной в систему, указывает начальный адрес соответ ствующей сегментной таблицы. Сегментная таблица перечис ляет сегменты данной программы с указанием начального адреса страничной таблицы, относящейся к данному сегменту. Страничная таблица определяет расположение каждой из стра ниц сегмента в памяти. Страницы сегмента могут располагать ся не подряд, часть страниц данного сегмента может нахо диться в оперативной памяти, остальные — во внешней.
Начальные адреса сегментов и страниц кратны их размерам. Размеры сегментов и страниц виртуальной памяти активной в данный момент программы задаются значениями соответствующих разрядов управляющего регистра.
Сегментные и страничные таблицы находятся в ОП, а в программной таблице нет необходимости, так как для ка ждой активной в данный момент программы управляющий ре гистр хранит начальный адрес и длину соответствующей сег ментной таблицы. Хранит он также номер программы.
Процесс преобразования адресов представлен на рис. 12. В общем случае преобразование адреса происходит в два этапа и требует двух дополнительных обращений к ОП (рис. 12, а).
Первый этап. Начальный адрес сегментной таблицы, установленный в управляющем регистре, суммируется с но мером сегмента из виртуального адреса. В результате обра зуется адрес, по которому из ОП считывается строка сегмент ной таблицы, содержащая адрес начала и длину страничной таблицы для данного сегмента.
Второй этап. Полученный адрес начала страничной та блицы суммируется с номером страницы из виртуального адреса, при этом образуется адрес, по которому из ОП считы вается строка страничной таблицы, содержащая номер искомой физической страницы. Если эта страница оказывается в ОП, то в старшие разряды регистра физического адреса передается ее номер, а в младшие заносится номер байта из регистра вир туального адреса. Формирование физического адреса на этом завершается.
Если нужная физическая страница оказывается во внешней памяти, то происходит прерывание по страничному сбою. Операционная система инициирует передачу этой стра ницы из внешней памяти в ОП (при этом меняется номер фи зической страницы) и корректирует соответствующим образом страничную таблицу, находящуюся в оперативной памяти. В старшие разряды регистра физического адреса передается новый номер физической страницы, а в младшие — номер бай та, Физический адрес сформирован.
Выполняется запрошенное программой обращение к ОП. Одновременно информация о текущей странице (номера программы, сегмента, виртуальной и соответствующей физической страницы) помещается в сверхоперативную ассоциативную па мять (или в блок быстрой переадресации (ББП, он же TLB-буфер)) небольшой емкости. ББП хранит указанные данные для небольшого числа недавно использовавшихся стра ниц.
При наличии ББП значительно ускоряется процесс преобразования адресов, так как на каждом участке вычислительного процесса обращения к ОП сосредота чиваются на небольшом числе страниц, и поэтому имеется большая вероятность, что текущее обращение произойдет к странице, информация о которой уже имеется в ББП, а следовательно, возможно быстрое пре образование адресов без дополнительных обращений к ОП.
Преобразование адресов всегда начинается с просмотра ББП, и если оказывается, что в одной его строк хранится информация о странице, к которой должно произойти обращение, то из этой строки непосредственно выбирается номер физической страницы и дополнительные обращения к ОП (к сегментной и страничной таблицам) не производятся (рис. 12,6).
Если нужной информации нет в ББП, то делается попытка сократить время преобразования Путем исключения одного дополнительного обращения к ОП (первый этап на рис. 12, а). Может оказаться, что страница, к которой происходит обращение, принадлежит сегменту пре дыдущего обращения к ОП. Поэтому вводится второй TLB-буфер, который хранит адреса начала сегментных таблиц, благодаря чему можно выполнять только вто рой этап преобразования, т. е. производится только одно до полнительное обращение к ОП. Если номера сегментов не сов падут, реализуется полная процедура преобразования адресов.
Дополнительные обращения к ОП сопровождаются занесе нием информации о текущей странице в оба TLB-буфера. Если не оказывается свободной строки, данные о новой странице записываются на место данных, которые дольше других не использовались в процессе преобразования адресов.
Рис. 12. – преобразование адресов при сегментно-страничной организации памяти: а – с использованием таблиц в ОП; б – с использованием TLB-буфера.
|
