Введение
Память компьютера – это жизненно важный компонент, который позволяет хранить и извлекать данные и инструкции. Как следствие, компьютер может эффективно выполнять задачи. А для того, чтобы компьютер функционировал так, как нужно, важно установить иерархию памяти.
В этой статье мы рассмотрим, что такое иерархия памяти.
Что такое иерархия памяти в компьютерных системах?
Иерархия памяти организует компоненты памяти, исходя из их времени доступа и времени отклика. Более того, существует несколько уровней памяти, у каждого из которых своя скорость доступа и производительность. Такая структура гарантирует, что информация, которая используется чаще всего, будет получаться быстрее, чем та, которая используется редко.
Почему иерархия памяти так важна?
Иерархия включает в себя устройства хранения, упорядоченные по размеру, стоимости, скорости доступа и т.д. Иерархия памяти упрощает процесс управления памятью и распределения данных по различным типам. Задача иерархии – повысить безопасность, сократить время доступа и обеспечить доступность данных.
Кроме того, такая иерархическая структура помогает упростить такие функции, как подкачка по требованию и предварительная подкачка, снижая при этом побитовую стоимость системы.
Типы иерархии памяти
Иерархия памяти включает в себя различные компоненты, которые, как правило, делятся на два типа:
- Внутренняя память (основная память). Это регистры, оперативная память и кэш. Процессор имеет прямой доступ к внутренней памяти.
- Внешняя память (вспомогательная память). Это вспомогательные ЗУ (жесткие и SSD-диски) и третичные хранилища (магнитный и оптический диски и магнитная лента). Это периферийные ЗУ, доступ к которым процессор получает через модуль ввода-вывода.
Рассмотрим эти компоненты более подробно.
Регистры
Это высокоскоростные блоки памяти, которые расположены в процессоре. Они хранят данные, которые используются чаще всего. У регистров самое маленькое время доступа, так как они расположены ближе всего к процессору.
Но регистры имеют самую маленькую емкость и могут обрабатывать ограниченное количество информации за раз.
Кэш
Кэш – это небольшой и быстрый блок памяти, который расположен рядом с процессором. Таким образом, процессор может временно сохранять копии информации из оперативной памяти и быстро получать доступ к часто используемым данным.
К тому же, кэш-память повышает общую производительность системы и уменьшает время доступа. Это возможно за счет алгоритмов, которые были специально разработаны для того, чтобы можно было прогнозировать, к каким данным вероятнее всего будет запрошен доступ, и предварительно загружать их для эффективной оптимизации работы процессора.
Оперативная память
Оперативная память, или ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), - это основная память компьютерной системы. В ней хранятся данные и инструкции, которые процессор использует на текущий момент. Однако, несмотря на большую емкость оперативной памяти, она работает медленнее, чем регистры или кэш-память.
ОЗУ бывает двух типов:
- Статическое ОЗУ. Здесь двоичные данные хранятся в триггерах (flip-flops). Данные остаются актуальными до тех пор, пока подается электроэнергия.
- Динамическое ОЗУ. Здесь двоичные данные хранятся за счет заряда, накопленного на конденсаторе. Динамическое ОЗУ имеет большее количество ячеек памяти на единицу пространства (большую плотность), чем статическое ОЗУ.
Вспомогательное ЗУ
Вспомогательное ЗУ – это энергонезависимая память, емкость которой больше, чем основной памяти. Здесь процессор хранит данные, к которым он обращается не так часто, но которые все же нужно сохранить для дальнейшего использования. Однако у вспомогательного ЗУ самое медленное время доступа, и оно, как правило, является самым экономичным вариантом среди всех уровней иерархии.
Этот тип ЗУ также можно использовать для постоянного хранения данных, когда компьютер выключен. Типичными примерами вспомогательного ЗУ являются жесткие диски и SSD-диски.
Третичное хранилище
Третичная память – это технология хранения, которая предлагает большую емкость (в сравнении с основной и вспомогательной памятью), но при этом значительно большее время доступа. Вот некоторые примеры третичных хранилищ:
- Магнитный диск. Это круглые пластинки, изготовленные из металла, пластика или какого-либо другого намагниченного материала. Эти диски обеспечивают оптимальное соотношение скорости доступа и емкости.
- Магнитная лента. Это магнитное записывающее устройство, покрытое пластиковой пленкой. За счет ее большой емкость ее часто используют для резервного копирования данных.
- Оптический диск (CD и DVD-диски, диски Blu-ray). Этот тип хранилища использует лазерную технологию для того, чтобы читать и записывать данные. Диски имеют разные емкости, но уже изживают себя.
Схема иерархии памяти
Иерархия памяти позволяет оптимизировать доступ к данным и их хранение. Выбор той или иной схемы зависит от конкретной компьютерной архитектуры, предполагаемого использования и соотношения между скоростью, емкостью и стоимостью.
Схема иерархии памяти представляет собой уровни памяти, выделенные на основе разных типов данных и их свойств. Схема иерархии памяти выглядит вот так:
- Уровень 0. Регистры
- Уровень 1. Кэш
- Уровень 2. Оперативная память
- Уровень 3. Вспомогательная память, магнитные или SSD-диски
- Уровень 4. Третичная память
Характеристики иерархии памяти
Иерархия основана на характеристиках, которые позволяют найти оптимальное соотношение между производительностью, емкостью и затратами:
- Производительность. Увеличивается, когда пользователи реже обращаются к более низким уровням иерархии. Без иерархии между оперативной памятью и регистрами будет существовать разница в скорости.
- Емкость. Это объем данных, который способна хранить память.
- Время доступа. Интервал времени между запросом на чтение/запись данных и его результатом.
- Побитовая стоимость. Это отношение общей стоимости памяти к общему количеству битов, к которым осуществляется доступ.
При переходе от регистров (уровень 0) к третичной памяти (уровень 4), каждая характеристика либо уменьшается, либо увеличивается:
Характеристика |
От Уровня 0 до Уровня 4 |
Производительность |
Уменьшается |
Емкость |
Увеличивается |
Время доступа |
Уменьшается |
Побитовая стоимость |
Увеличивается |
Заключение
Теперь вы знаете, что такое иерархия памяти и какие типы памяти существуют.
