تنظيم نظام الذاكرة الفرعي في جهاز الكمبيوتر

يمكن ترتيب أجهزة التخزين (التخزين) للنظام الفرعي لذاكرة الكمبيوتر في التسلسل الهرمي التالي (الجدول 9.1):

الجدول 9.1. التسلسل الهرمي للنظام الفرعي لذاكرة الكمبيوتر
№	نوع الذاكرة	1985	2000
وقت الحصول على العينات	حجم نموذجي	السعر/بايت	وقت الحصول على العينات	حجم نموذجي	السعر/بايت
	ذاكرة تشغيلية فائقة (سجلات)	0.2 5 نانو ثانية	16/32 بت	$ 3 - 100	0.01 1 نانو ثانية	32/64/128 بت	$ 0,1 10
	ذاكرة عازلة عالية السرعة (ذاكرة التخزين المؤقت)	20100 نانو ثانية	8 كيلو بايت - 64 كيلو بايت	~ $ 10	0.5 - 2 نانو ثانية	32 كيلو بايت 1 ميجا بايت	$ 0,1 - 0,5
	الذاكرة التشغيلية (الرئيسية).	~0.5 مللي ثانية	1 ميجابايت - 256 ميجابايت	$ 0,02 1	2 نانو ثانية 20 نانو ثانية	128 ميجا بايت - 4 جيجا بايت	$ 0,01 0,1
	التخزين الخارجي (الذاكرة الجماعية)	10 - 100 مللي ثانية	1 ميجا بايت - 1 جيجا بايت	$ 0,002 - 0,04	5 - 20 مللي ثانية	1 جيجابايت - 0.5 تيرابايت	$ 0,001 - 0,01

تشكل سجلات المعالج سياقها وتخزن البيانات المستخدمة من خلال تنفيذ تعليمات المعالج حاليًا. يتم الوصول إلى سجلات المعالج، كقاعدة عامة، من خلال تسمياتها ذاكري في أوامر المعالج.

يتم استخدام ذاكرة التخزين المؤقت لتتناسب مع سرعة وحدة المعالجة المركزية والذاكرة الرئيسية. تستخدم أنظمة الكمبيوتر ذاكرة تخزين مؤقت متعددة المستويات: ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1)، وذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني (L2)، وما إلى ذلك. تستخدم أنظمة سطح المكتب عادةً ذاكرة تخزين مؤقت ذات مستويين، بينما تستخدم أنظمة الخادم عادةً ذاكرة تخزين مؤقت ثلاثية المستويات. تقوم ذاكرة التخزين المؤقت بتخزين التعليمات أو البيانات التي من المحتمل أن يتلقاها المعالج لمعالجتها في المستقبل القريب. إن تشغيل ذاكرة التخزين المؤقت يكون شفافًا بالنسبة للبرامج، لذلك عادةً لا يمكن للبرنامج الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت.

تخزن ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، كقاعدة عامة، وحدات البرامج الكاملة وظيفيًا (نواة نظام التشغيل، وتنفيذ البرامج ومكتباتها، وبرامج تشغيل الأجهزة المستخدمة، وما إلى ذلك) وبياناتها المشاركة بشكل مباشر في تشغيل البرامج، وتستخدم أيضًا لحفظ نتائج العمليات الحسابية أو غيرها معالجة البيانات قبل إرسالها إلى وحدة التخزين الخارجية أو أجهزة إخراج البيانات أو واجهات الاتصال.

يتم تعيين عنوان فريد لكل خلية من خلايا ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). توفر تقنيات تخصيص الذاكرة التنظيمية للمبرمجين القدرة على استخدام نظام الكمبيوتر بأكمله بكفاءة. تتضمن هذه الأساليب نموذج ذاكرة مستمرًا ("مسطحًا") ونموذج ذاكرة مجزأة. عند استخدام نموذج مسطح من الذاكرة، يعمل البرنامج بمساحة عنوان واحدة مستمرة، وهي مساحة عنوان خطية يتم فيها ترقيم خلايا الذاكرة بشكل تسلسلي ومستمر من 0 إلى 2n-1، حيث n هو عمق بت وحدة المعالجة المركزية عند العنوان. عند استخدام نموذج مجزأ لبرنامج ما، يتم تمثيل الذاكرة بواسطة مجموعة من كتل العناوين المستقلة تسمى المقاطع. لمعالجة بايت من الذاكرة، يجب أن يستخدم البرنامج عنوانًا منطقيًا يتكون من محدد المقطع والإزاحة. يقوم محدد المقطع بتحديد مقطع معين، وتشير الإزاحة إلى خلية معينة في مساحة عنوان المقطع المحدد.

تتيح الأساليب التنظيمية لتخصيص الذاكرة تنظيم نظام حوسبة تتجاوز فيه مساحة عنوان العمل للبرنامج حجم ذاكرة الوصول العشوائي المتوفرة فعليًا في النظام، في حين يتم ملء نقص ذاكرة الوصول العشوائي بذاكرة خارجية أبطأ أو أرخص (القرص الصلب ، ذاكرة فلاش، وما إلى ذلك). ويسمى هذا المفهوم الذاكرة الافتراضية. في هذه الحالة، يمكن تعيين مساحة العنوان الخطي إلى مساحة العنوان الفعلي إما مباشرة (العنوان الخطي هو عنوان فعلي) أو باستخدام آلية الترحيل. في الحالة الثانية، يتم تقسيم مساحة العنوان الخطية إلى صفحات متساوية الحجم تشكل الذاكرة الافتراضية. تضمن ترجمة الصفحة تعيين صفحات الذاكرة الظاهرية المطلوبة في مساحة العنوان الفعلية.

بالإضافة إلى تنفيذ نظام الذاكرة الافتراضية، يتم استخدام الذاكرة الخارجية لتخزين البرامج والبيانات على المدى الطويل في شكل ملفات.

الذاكرة المؤقتة

الذاكرة المؤقتة هي جهاز تخزين عالي السرعة يقع على نفس شريحة وحدة المعالجة المركزية أو خارج وحدة المعالجة المركزية. تعمل ذاكرة التخزين المؤقت كمخزن مؤقت عالي السرعة بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة الرئيسية البطيئة نسبيًا. تعتمد فكرة الذاكرة المؤقتة على التنبؤ باحتمال وصول وحدة المعالجة المركزية إلى ذاكرة الوصول العشوائي. يعتمد هذا النهج على مبدأ المحلية الزمانية والمكانية للبرنامج.

إذا تمكنت وحدة المعالجة المركزية من الوصول إلى أي كائن من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، فهناك احتمال كبير بأن تصل وحدة المعالجة المركزية إلى هذا الكائن مرة أخرى قريبًا. مثال على هذا الموقف سيكون التعليمات البرمجية أو البيانات في الحلقات. يتم وصف هذا المفهوم من خلال مبدأ المنطقة الزمنية، والذي ينص على أن كائنات ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) المستخدمة بشكل متكرر يجب أن تكون "أقرب" إلى وحدة المعالجة المركزية (في ذاكرة التخزين المؤقت).

لتنسيق محتويات الذاكرة المؤقتة وذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، يتم استخدام ثلاث طرق للتسجيل:

• الكتابة - يتم تحديث ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) في نفس الوقت مع ذاكرة التخزين المؤقت.
• الكتابة المخزنة مؤقتًا - يتم الاحتفاظ بالمعلومات في مخزن مؤقت لذاكرة التخزين المؤقت قبل كتابتها إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ويتم كتابتها إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أثناء الدورات عندما لا تصل إليها وحدة المعالجة المركزية (CPU).
• إعادة الكتابة - يتم استخدام بت التغيير في حقل العلامة، ويتم كتابة السطر في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) فقط إذا كان بت التغيير هو 1.

كقاعدة عامة، تتيح لك جميع أساليب الكتابة، باستثناء التمريري، تأجيل عمليات الكتابة وتجميعها في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لزيادة الأداء.

هناك نوعان من كتل البيانات في بنية ذاكرة التخزين المؤقت:

• ذاكرة عرض البيانات (البيانات نفسها، مكررة من ذاكرة الوصول العشوائي)؛
• علامة الذاكرة (علامات تشير إلى موقع البيانات المخزنة مؤقتًا في ذاكرة الوصول العشوائي).

يتم تقسيم مساحة ذاكرة تعيين البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت إلى أسطر - كتل ذات طول ثابت (على سبيل المثال، 32 أو 64 أو 128 بايت). يمكن أن يحتوي كل سطر ذاكرة تخزين مؤقت على كتلة متجاورة من البايتات من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). يتم تحديد كتلة ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) التي تم تعيينها لخط ذاكرة التخزين المؤقت المحدد بواسطة علامة السطر وخوارزمية التعيين. استنادًا إلى خوارزميات تعيين ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) إلى ذاكرة التخزين المؤقت، هناك ثلاثة أنواع من ذاكرة التخزين المؤقت:

• ذاكرة التخزين المؤقت النقابية بالكامل؛
• ذاكرة التخزين المؤقت لرسم الخرائط المباشرة؛
• ذاكرة تخزين مؤقت متعددة.

تتميز ذاكرة التخزين المؤقت الترابطية بالكامل بحقيقة أن وحدة التحكم في ذاكرة التخزين المؤقت يمكنها وضع أي كتلة من ذاكرة الوصول العشوائي في أي سطر ذاكرة تخزين مؤقت (الشكل 9.1). في هذه الحالة، يتم تقسيم العنوان الفعلي إلى جزأين: الإزاحة في الكتلة (خط ذاكرة التخزين المؤقت) ورقم الكتلة. عندما يتم تخزين الكتلة مؤقتًا، يتم تخزين رقم الكتلة في علامة السطر المقابلة. عندما تصل وحدة المعالجة المركزية إلى ذاكرة التخزين المؤقت للكتلة المطلوبة، سيتم اكتشاف فقدان ذاكرة التخزين المؤقت فقط بعد مقارنة علامات جميع الأسطر برقم الكتلة.

إحدى المزايا الرئيسية لطريقة العرض هذه هي الاستخدام الجيد لذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، لأنها لا توجد قيود على الكتلة التي يمكن تعيينها لأي سطر ذاكرة تخزين مؤقت معين. تشمل العيوب التنفيذ المعقد للأجهزة لهذه الطريقة، والذي يتطلب كمية كبيرة من الدوائر (المقارنات بشكل أساسي)، مما يؤدي إلى زيادة وقت الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت هذه وزيادة تكلفتها.

تكبير الصورة
أرز. 9.1.ذاكرة تخزين مؤقت 8 × 8 ترابطية بالكامل لعنوان 10 بت

هناك طريقة بديلة لتعيين ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) إلى ذاكرة التخزين المؤقت وهي استخدام ذاكرة تخزين مؤقت معينة مباشرة (أو ذاكرة تخزين مؤقت اقترانية ذات إدخال واحد). في هذه الحالة، يحدد عنوان الذاكرة (رقم الكتلة) بشكل فريد خط ذاكرة التخزين المؤقت الذي سيتم وضع الكتلة المحددة فيه. يتم تقسيم العنوان الفعلي إلى ثلاثة أجزاء: الإزاحة في الكتلة (خط ذاكرة التخزين المؤقت)، ورقم سطر ذاكرة التخزين المؤقت، والعلامة. سيتم دائمًا وضع هذه الكتلة أو تلك في سطر ذاكرة تخزين مؤقت محدد بدقة، واستبدال كتلة أخرى مخزنة هناك إذا لزم الأمر. عندما تصل وحدة المعالجة المركزية إلى ذاكرة التخزين المؤقت للكتلة المطلوبة، فإنها تحتاج فقط إلى التحقق من علامة سطر واحد لتحديد ما إذا كانت نتيجة لذاكرة التخزين المؤقت أو فقدان ذاكرة التخزين المؤقت.

المزايا الواضحة لهذه الخوارزمية هي بساطتها وانخفاض تكلفة تنفيذها. تشمل العيوب انخفاض كفاءة ذاكرة التخزين المؤقت هذه بسبب عمليات إعادة التحميل المتكررة المحتملة للصفوف. على سبيل المثال، عند الوصول إلى كل خلية ذاكرة رقم 64 في النظام في الشكل. 9.2، ستضطر وحدة التحكم في ذاكرة التخزين المؤقت إلى التحميل الزائد باستمرار على نفس خط ذاكرة التخزين المؤقت، دون استخدام الآخرين على الإطلاق.

تكبير الصورة
أرز. 9.2.ذاكرة تخزين مؤقت 8 × 8 تم تعيينها مباشرة لعنوان 10 بت

على الرغم من أوجه القصور الواضحة، فقد تم استخدام هذه التكنولوجيا بنجاح، على سبيل المثال، في Motorola MC68020 MP، لتنظيم ذاكرة التخزين المؤقت لتعليمات المستوى الأول (الشكل 9.3). ينفذ هذا المعالج الدقيق ذاكرة تخزين مؤقت للتعيين المباشر مكونة من 64 سطرًا من 4 بايت. تحتوي علامة السطر، بالإضافة إلى الـ 24 بت التي تحدد عنوان الكتلة المخزنة مؤقتًا، على بتة أهمية تحدد صحة السطر (إذا كانت بتة الأهمية هي 0، يعتبر السطر غير صالح ولن يتسبب في حدوث إصابة في ذاكرة التخزين المؤقت ). لا يتم تخزين الوصول إلى البيانات مؤقتًا.

تكبير الصورة
أرز. 9.3.مخطط تنظيمي لذاكرة التخزين المؤقت في Motorola MC68020 MP

الحل الوسط بين الخوارزميتين الأوليين هو ذاكرة تخزين مؤقت ترابطية متعددة أو ذاكرة تخزين مؤقت ترابطية جزئيًا (الشكل 9.4). باستخدام هذه الطريقة لتنظيم الذاكرة المؤقتة، يتم دمج الخطوط في مجموعات، والتي يمكن أن تتضمن 2، 4، : سطرين. وفقًا لعدد الأسطر في هذه المجموعات، يتم التمييز بين مدخلين و4 مدخلات وما إلى ذلك. ذاكرة التخزين المؤقت النقابية. عند الوصول إلى الذاكرة، يتم تقسيم العنوان الفعلي إلى ثلاثة أجزاء: الإزاحة في الكتلة (خط ذاكرة التخزين المؤقت)، ورقم المجموعة (المجموعة)، والعلامة. يمكن وضع كتلة من الذاكرة التي يتوافق عنوانها مع مجموعة معينة في أي صف من تلك المجموعة، ويتم وضع القيمة المقابلة في علامة الصف. ومن الواضح أنه داخل المجموعة المختارة يتم ملاحظة مبدأ الارتباط. من ناحية أخرى، لا يمكن أن تندرج كتلة معينة إلا في مجموعة محددة بدقة، وهو ما يعكس مبدأ تنظيم ذاكرة تخزين مؤقت مباشرة لرسم الخرائط. لكي يتمكن المعالج من التعرف على ذاكرة التخزين المؤقت المفقودة، سيحتاج إلى التحقق من علامات مجموعة واحدة فقط (2/4/8/: أسطر).

تكبير الصورة
أرز. 9.4.ذاكرة تخزين مؤقت 8 × 8 ذات مدخلين لعنوان 10 بت

تجمع خوارزمية التعيين هذه بين مزايا كل من ذاكرة التخزين المؤقت الترابطية الكاملة (الاستخدام الجيد للذاكرة، والسرعة العالية) وذاكرة التخزين المؤقت للوصول المباشر (البساطة والتكلفة المنخفضة)، كونها أقل قليلاً في هذه الخصائص من الخوارزميات الأصلية. هذا هو السبب في أن ذاكرة التخزين المؤقت الترابطية المتعددة هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع (الجدول 9.2).

الجدول 9.2. خصائص النظام الفرعي للذاكرة المؤقتة لوحدة المعالجة المركزية IA-32
	إنتل486	بنتيوم	بنتيوم MMX	ص6	بنتيوم 4
ذاكرة التخزين المؤقت للتعليمات L1
يكتب	4 بوصة. مساعد.	2 بوصة. مساعد.	4 بوصة. مساعد.	4 بوصة. مساعد.	8 بوصة. مساعد.
حجم السلسلة، بايت					-
الحجم الإجمالي، كيلو بايت	8/16			8/16	12 كموبس
ذاكرة التخزين المؤقت للبيانات L1
يكتب	مشتركة مع ذاكرة التخزين المؤقت للتعليمات	2 بوصة. مساعد.	4 بوصة. مساعد.	2/4 بوصة. مساعد.	4 بوصة. مساعد.
حجم السلسلة، بايت
الحجم الإجمالي، كيلو بايت			8/16
ذاكرة التخزين المؤقت L2
يكتب	خارجي	خارجي 4 بوصة. مساعد.	4 بوصة. مساعد.	8 بوصة. مساعد.
حجم السلسلة، بايت
الحجم الإجمالي، كيلو بايت	256/512	128-2048	256/512

ملاحظات: يستخدم Intel-486 تعليمات L1 واحدة وذاكرة تخزين مؤقت للبيانات. في Pentium Pro L1، تبلغ ذاكرة التخزين المؤقت للبيانات 8 كيلو بايت 2 مدخلات، وفي نماذج P6 الأخرى تكون 16 كيلو بايت 4 مدخلات. يستخدم Pentium 4 ذاكرة تخزين مؤقت للعمليات الدقيقة L1 (ذاكرة تخزين مؤقت للتتبع) بدلاً من ذاكرة تخزين مؤقت لتعليمات L1.

لتنظيم ذاكرة التخزين المؤقت، يمكنك استخدام بنية برينستون (ذاكرة التخزين المؤقت المختلطة للتعليمات والبيانات، على سبيل المثال، في Intel-486). هذا الحل الواضح (والذي لا مفر منه لأنظمة فون نيومان ذات الذاكرة المؤقتة الخارجية لوحدة المعالجة المركزية) ليس هو الحل الأكثر فعالية دائمًا. يؤدي تقسيم ذاكرة التخزين المؤقت إلى ذاكرة تخزين مؤقت للتعليمات وذاكرة تخزين مؤقت للبيانات (ذاكرة التخزين المؤقت لجامعة هارفارد) إلى تحسين كفاءة ذاكرة التخزين المؤقت للأسباب التالية:

• تتمتع العديد من المعالجات الحديثة ببنية خطوط الأنابيب، حيث تعمل كتل خطوط الأنابيب بالتوازي. وبالتالي، يحدث جلب التعليمات والوصول إلى بيانات التعليمات في مراحل مختلفة من المسار، ويسمح استخدام ذاكرة تخزين مؤقت منفصلة بإجراء هذه العمليات بالتوازي.
• يمكن تنفيذ ذاكرة التخزين المؤقت للتعليمات للقراءة فقط، وبالتالي لا تتطلب تنفيذ أي خوارزميات إعادة الكتابة، مما يجعل ذاكرة التخزين المؤقت هذه أبسط وأرخص وأسرع.

هذا هو السبب في أن جميع أحدث طرازات IA-32، بدءًا من Pentium، تستخدم بنية هارفارد لتنظيم ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول.

يمكن اعتبار معيار التشغيل الفعال لذاكرة التخزين المؤقت هو تقليل متوسط ​​وقت الوصول إلى الذاكرة مقارنة بنظام لا يحتوي على ذاكرة تخزين مؤقت. وفي هذه الحالة، يمكن تقدير متوسط ​​وقت الوصول على النحو التالي:

T av = (T hit x R hit) + (T Miss x (1 R hit))

حيث T hit هو وقت الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت في حالة حدوث إصابة (بما في ذلك الوقت لتحديد الخطأ أو الضربة)، T Miss هو الوقت اللازم لتحميل كتلة من الذاكرة الرئيسية إلى سطر ذاكرة التخزين المؤقت في حالة فقدان ذاكرة التخزين المؤقت و التسليم اللاحق للبيانات المطلوبة إلى المعالج، تردد ضرب ضرب.

من الواضح أنه كلما اقتربت قيمة نتيجة R من 1، كلما كانت قيمة متوسط ​​T أقرب إلى نتيجة T. يتم تحديد معدل الدخول بشكل أساسي من خلال بنية ذاكرة التخزين المؤقت وحجمها. يظهر في الجدول تأثير وجود وغياب الذاكرة المؤقتة وحجمها على نمو أداء وحدة المعالجة المركزية. 9.3.

الذاكرة جزء مهم من أنظمة الحوسبة. ويحدد تنظيم التفاعل بين المعالج والذاكرة الخصائص الرئيسية لنظام الحوسبة؛ وتضمن العناصر المتبقية اتصال هذا الارتباط بالأجهزة الخارجية والعالم الخارجي. يتم توصيل الذاكرة بوحدة التحكم في الذاكرة (جهاز إدارة الذاكرة) عبر ناقل العنوان وناقل البيانات وحافلة التحكم. يحدد عرض ناقل البيانات عدد البتات الثنائية التي يمكن قراءتها من الذاكرة في نفس الوقت (بالتوازي). يتم تخزين كل رقم ثنائي (1 بت) بواسطة عنصر ذاكرة. يتم إنشاء عناصر الذاكرة بمختلف أنواعها على أساس مبادئ فيزيائية مختلفة لتسجيل المعلومات وتخزينها. يتم دمج عناصر الذاكرة في خلايا الذاكرة. في هذه الحالة، تتم معالجة جميع عناصر الخلية في وقت واحد، بنفس الطريقة، ويتم تنظيمها بطريقة تمكنها من إخراج البيانات في وقت واحد إلى ناقل البيانات. تشكل هذه الخلايا المدمجة كلمة. يُطلق على عدد بتات البيانات المقروءة من الذاكرة في المرة الواحدة طول العينة. لتخزين بايت واحد، يتم استخدام 8 عناصر ذاكرة، ويتم تنظيم خلايا ذاكرة ذات ثمانية بتات باستخدام ناقل بيانات بعرض 8 أسطر.

تُستخدم شرائح الذاكرة لإنشاء وحدات ذاكرة مثبتة في فتحات خاصة (موصلات) لنظام الكمبيوتر. في الوقت الحاضر، وحدات DIMM الأكثر شيوعًا هي وحدات الذاكرة التي تحتوي على صفين من جهات الاتصال.

يحدد عرض ناقل العنوان مساحة العنوان، أي عدد خلايا الذاكرة التي يمكن معالجتها مباشرة. إذا كان عرض ناقل العنوان هو n، فسيتم تحديد عدد جميع المجموعات الثنائية الممكنة (عدد العناوين) على النحو التالي: N = 2n.

أرز. 1. تنظيم الاتصال بين نظام الذاكرة والمعالج

يمكن لذاكرة جهاز الكمبيوتر إجراء ثلاث عمليات:

أ) تخزين المعلومات؛

ب) تسجيل المعلومات؛

ج) قراءة المعلومات.

مواصفات الذاكرة:

تحدد سعة الذاكرة الحد الأقصى لكمية المعلومات المخزنة في الذاكرة ويتم قياسها بالبت والبايت والكيلو بايت والميجابايت والجيجابايت والتيرابايت وما إلى ذلك.

يتم تعريف السعة المحددة على أنها نسبة سعة الذاكرة إلى الحجم الفعلي الذي تشغله.

يتم تعريف كثافة تسجيل المعلومات على أنها مقدار المعلومات لكل وحدة مساحة لحامل المعلومات أو لكل وحدة طول لحامل المعلومات.

وقت الوصول إلى الذاكرة. يتم تحديد أداء الذاكرة من خلال مدة العمليات عند الوصول إلى الذاكرة. وقت الوصول عند الكتابة ووقت الوصول عند القراءة هو مجموع وقت البحث عن خلية ذاكرة في عنوان معين والكتابة أو القراءة الفعلية، على التوالي.

تصنيف الذاكرة:

ذاكرة الوصول العشوائي

بالنسبة لذاكرة الوصول العشوائي (الذاكرة الإلكترونية)، لا يعتمد وقت الوصول على موقع قسم الذاكرة المطلوب. يتم اختيار الخلية عن طريق العنوان باستخدام الدوائر الإلكترونية.

الوصول الدوري المباشر

عند الوصول إلى ذاكرة القرص، يتم استخدام الوصول الدوري المباشر. يدور وسط التخزين بشكل مستمر، وبالتالي فإن القدرة على الوصول إلى نفس منطقة الذاكرة تكون دورية.

الوصول التسلسلي

يكون الوصول المتسلسل إلى البيانات ممكنًا عند استخدام الشريط المغناطيسي كوسيط، حيث يكون العرض المتسلسل لأجزاء الوسيط ضروريًا للعثور على البيانات المطلوبة.

ذاكرة بلا عنوان

يمكن تصنيف أجهزة التخزين المستندة إلى المكدس والترابطية على أنها بلا عنوان. عند الوصول إلى الذاكرة بدون عنوان، لا يحدد أمر الوصول إلى الذاكرة عنوان الخلية. في أجهزة الذاكرة المكدسة، يتم تعقب عنوان خلية الذاكرة بواسطة سجل عنوان خاص. عند الوصول إلى المكدس، يتم تعيين العنوان من هذا السجل. عند الوصول إلى الذاكرة الترابطية، يتم البحث عن المعلومات عن طريق السمة (العلامة) من خلال مقارنة علامات جميع خلايا الذاكرة مع السمة الترابطية. تتم كتابة السمة الترابطية لتنفيذ عملية المقارنة في سجل سمات خاص.

تصنيف الذاكرة حسب الغرض الوظيفي:

ROM - أجهزة ذاكرة القراءة فقط أو ROM (ذاكرة القراءة فقط)، تُستخدم لتخزين البيانات الدائمة وبرامج المرافق.

SRAM هو جهاز تخزين فائق العشوائية، وهو عبارة عن مجموعة من السجلات ذات الأغراض العامة - RON، المصممة لتخزين المعاملات ونتائج العملية في المعالج.

ذاكرة الوصول العشوائي - ذاكرة الوصول العشوائي أو ذاكرة الوصول العشوائي (ذاكرة الوصول العشوائي - ذاكرة الوصول العشوائي)، تستخدم لتخزين البرنامج المنفذ وبيانات التشغيل. إذا كان من الممكن الوصول إلى أي سجل للكتابة/القراءة من خلال عنوانه، فإن بنية السجل هذه تشكل ذاكرة وصول عشوائي (RAM).

التصنيف حسب طريقة تخزين المعلومات:

ذاكرة ثابتة

في أجهزة التخزين الثابتة، يتم إنشاء LSIs على عناصر ذاكرة تشغيل ثنائية الاستقرار (لها حالتان مستقرتان - ومن هنا جاء اسم الذاكرة).

الذاكرة الديناميكية

تستخدم أجهزة الذاكرة الديناميكية LSIs أرخص، حيث يكون عنصر التخزين عبارة عن مكثف. يتم تفريغ المكثف بمرور الوقت (هذه هي الديناميكيات)، لذلك من الضروري الحفاظ على القيمة المحتملة عن طريق إعادة شحن المكثف. هذه العملية تسمى التجديد.

الذاكرة الدائمة

في أجهزة التخزين الدائمة، يكون عنصر التخزين عبارة عن رابط قابل للانصهار محترق أو صمام ثنائي لأشباه الموصلات، والذي يلعب دور الرابط القابل للتدمير. في ذاكرة القراءة فقط القابلة لإعادة البرمجة، تُستخدم الخلايا المصنوعة من ترانزستورات MOS مع بوابة عائمة ومعزولة لتسجيل المعلومات وتخزينها، ويتم تسجيل المعلومات كهربائيًا عندما يتدفق التيار عبر قناة المصدر/المصرف، ويتم ترسيب الشحنات على البوابة ويتم تخزينها لمدة طويلة. مرغوب. يتم محو المعلومات عن طريق تطبيق جهد بإشارة مختلفة على قسم المصدر/المصرف في ذاكرة القراءة فقط (ROM) القابلة لإعادة البرمجة مع المسح الكهربائي أو التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية في ذاكرة القراءة فقط (ROM) مع المسح فوق البنفسجي.

الذاكرة المجسمة

في أجهزة التخزين المجسمة، يتم تخزين المعلومات في حجم بلورة مجسمة على شكل لقطة من تداخل موجتين، المرجع والمعلومات. يتمتع هذا النوع الواعد من أجهزة التخزين بكثافة عالية في تسجيل المعلومات وهو قيد التطوير حاليًا.

الذاكرة البيولوجية

تستخدم أجهزة التخزين البيولوجي التغيرات في حالة الجزيئات العضوية التي لها القدرة على تخزين الشحنات وتبادل الإلكترونات لتسجيل المعلومات.

التخزين المغناطيسي

في أجهزة التخزين الخارجية على الوسائط المغناطيسية، يتم تخزين المعلومات على شكل أجزاء من السطح المغناطيسي لقرص أو شريط مغناطيسي ممغنط في اتجاه معين.

الذاكرة الضوئية

في أجهزة التخزين الخارجية الضوئية، يتم تسجيل المعلومات في شكل أقسام لها معاملات تشتت ضوء مختلفة لشعاع الليزر الموجه.

الذاكرة هي أحد المكونات الرئيسية لأي جهاز كمبيوتر. تحدد قدرته وسرعته إلى حد كبير أداء نظام الكمبيوتر بأكمله. تناولت هذه المقالة أهم تقنيات إنشاء الذاكرة وتفاصيل تنظيمها.

تصنيف أنظمة MCMD

في نظام MCMD، يقوم كل عنصر معالجة (PE) بتنفيذ برنامجه بشكل مستقل تمامًا عن عناصر المعالجة الأخرى. وفي الوقت نفسه، يجب أن تتفاعل عناصر المعالجة بطريقة أو بأخرى مع بعضها البعض. يحدد الاختلاف في طريقة هذا التفاعل التقسيم الشرطي لأنظمة MCMD إلى أجهزة كمبيوتر ذات ذاكرة مشتركة وأنظمة ذات ذاكرة موزعة (الشكل 5.7).

أنظمة الذاكرة المشتركة، التي تتميز بأنها مقترنة بإحكام، لديها ذاكرة مشتركة من البيانات والتعليمات التي يمكن لجميع عناصر المعالجة الوصول إليها من خلال ناقل مشترك أو شبكة اتصالات. تسمى هذه الأنظمة بالمعالجات المتعددة. يتضمن هذا النوع معالجات متعددة متماثلة (UMA (SMP)، معالجات متعددة متماثلة)، وأنظمة ذات وصول غير منتظم للذاكرة (NUMA، وصول للذاكرة غير الموحدة) وأنظمة ذات ما يسمى بالذاكرة المحلية بدلاً من الذاكرة المؤقتة (COMA، الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت فقط ).

إذا كانت جميع المعالجات تتمتع بوصول متساوٍ إلى جميع وحدات الذاكرة وجميع أجهزة الإدخال/الإخراج، وكان كل معالج قابلاً للتبديل مع معالجات أخرى، فإن هذا النظام يسمى نظام SMP. في الأنظمة ذات الذاكرة المشتركة، تتمتع جميع المعالجات بوصول متساوٍ إلى مساحة عنوان واحدة. يمكن بناء ذاكرة واحدة ككتلة واحدة أو وحدات، ولكن عادة ما يتم ممارسة الخيار الثاني.

تنتمي أنظمة SMP إلى بنية UMA. أنظمة الحوسبة ذات الذاكرة المشتركة، حيث يصل أي معالج إلى الذاكرة بشكل موحد ويستغرق نفس الوقت، تسمى الأنظمة ذات الوصول الموحد للذاكرة (UMA).

من وجهة نظر مستويات الذاكرة المستخدمة في بنية UMA، تم النظر في ثلاثة خيارات لبناء معالج متعدد:

كلاسيكي (فقط مع الذاكرة الرئيسية المشتركة)؛

مع ذاكرة تخزين مؤقت محلية إضافية على كل معالج؛

مع ذاكرة عازلة محلية إضافية لكل معالج (الشكل 5.8).

من وجهة نظر طريقة تفاعل المعالجات مع الموارد المشتركة (الذاكرة والتخزين الداخلي)، بشكل عام، يتم تمييز الأنواع التالية من معماريات UMA:

مع تقسيم الحافلة والوقت المشترك (7.9)؛

مع عاكس الإحداثيات؛

على أساس شبكات متعددة المراحل.

إن استخدام ناقل واحد فقط يحد من حجم المعالجات المتعددة UMA إلى 16 أو 32 معالجًا. لتحقيق حجم أكبر، يلزم وجود نوع مختلف من شبكة الاتصالات. أبسط مخطط اتصال هو عاكس الإحداثيات (الشكل 5.10). تم استخدام المفاتيح المتقاطعة منذ عقود طويلة لربط مجموعة من الخطوط الواردة بعدد من الخطوط الصادرة بطريقة عشوائية.

المحول عبر البلاد عبارة عن شبكة غير قابلة للحظر. وهذا يعني أن المعالج سيكون دائمًا مرتبطًا بكتلة الذاكرة المطلوبة، حتى لو كان هناك خط أو عقدة ما مشغولة بالفعل. علاوة على ذلك، لا يلزم التخطيط المسبق.

تعتبر مفاتيح الإحداثيات مناسبة تمامًا للأنظمة متوسطة الحجم (الشكل 5.11).

يمكن بناء شبكات متعددة المراحل باستخدام محولات 2x2. أحد الخيارات الممكنة هو شبكة أوميغا (الشكل ٥.١٢). بالنسبة للمعالجات n ووحدات الذاكرة n، يلزم تسجيل 2 n مراحل، n/2 مفاتيح لكل مرحلة، أي إجمالي (n/2) log 2 n مفاتيح لكل مرحلة. وهذا أفضل بكثير من العقد n 2 (نقاط التقاطع)، خاصة بالنسبة للعقد n الكبيرة.

عادةً ما تقتصر المعالجات المتعددة UMA ذات الناقل الواحد على بضع عشرات من المعالجات في الحجم، بينما تتطلب المعالجات المتعددة المحور أو المحول أجهزة باهظة الثمن وليست أكبر حجمًا بكثير. للحصول على أكثر من 100 معالج، يلزم الوصول إلى ذاكرة مختلفة.

لزيادة قابلية التوسع للمعالجات المتعددة، تم تكييف بنية ذات وصول غير موحد للذاكرة NUMA (الوصول إلى الذاكرة غير الموحدة). مثل معالجات UMA المتعددة، فهي توفر مساحة عنوان واحدة لجميع المعالجات، ولكن على عكس أجهزة UMA، فإن الوصول إلى وحدات الذاكرة المحلية يكون أسرع من الوصول إلى وحدات الذاكرة البعيدة.

في إطار مفهوم NUMA، يتم تنفيذ الأساليب، والتي يشار إليها بالاختصارات NC-NUMA وCC-NUMA.

إذا لم يتم إخفاء وقت الوصول إلى الذاكرة البعيدة (نظرًا لعدم وجود ذاكرة تخزين مؤقت)، فإن هذا النظام يسمى NC-NUMA (لا يوجد تخزين مؤقت NUMA - NUMA بدون تخزين مؤقت) (الشكل 5.13).

في حالة وجود ذاكرة تخزين مؤقت متماسكة، يُطلق على النظام اسم CC-NUMA (بنية الذاكرة غير الموحدة لذاكرة التخزين المؤقت المتماسكة - NUMA مع تماسك ذاكرة التخزين المؤقت) (7.14).

الذاكرة الرئيسية

الذاكرة الرئيسية هو جهاز تخزين متصل مباشرة بالمعالج ومصمم لتخزين البرامج القابلة للتنفيذ والبيانات المشاركة مباشرة في العمليات. لديها سرعة كافية، ولكن حجم محدود. تنقسم الذاكرة الرئيسية إلى أنواع مختلفة، أهمها ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وذاكرة القراءة فقط (ROM) (الشكل 1).

تم تصميم ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لتخزين المعلومات (البرامج والبيانات) المشاركة بشكل مباشر في عملية الحوسبة في المرحلة الحالية من التشغيل.

يتم استخدام ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لتلقي المعلومات وتخزينها وإخراجها. وفيه "يأخذ" المعالج البرامج والبيانات الأولية للمعالجة ويكتب النتائج التي تم الحصول عليها فيها. تسمى هذه الذاكرة "RAM" لأنها تعمل بسرعة كبيرة، بحيث لا يضطر المعالج عمليا إلى الانتظار عند قراءة البيانات من الذاكرة والكتابة إلى الذاكرة. ومع ذلك، يتم حفظ البيانات التي يحتوي عليها فقط أثناء تشغيل الكمبيوتر. عند إيقاف تشغيل الكمبيوتر، يتم مسح محتويات ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). وبالتالي، ذاكرة الوصول العشوائي هي ذاكرة متقلبة.

أرز. 1. الأنواع الرئيسية للذاكرة الرئيسية

غالبًا ما يتم استخدام تسمية ذاكرة الوصول العشوائي (ذاكرة الوصول العشوائي، أي ذاكرة الوصول العشوائي) لذاكرة الوصول العشوائي. يشير الوصول العشوائي إلى القدرة على الوصول مباشرة إلى أي خلية ذاكرة محددة (تعسفية)، ويكون وقت الوصول لأي خلية هو نفسه.

تعتمد ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) على دوائر متكاملة كبيرة تحتوي على مصفوفات من عناصر تخزين أشباه الموصلات (flip-flops). توجد عناصر التخزين عند تقاطع الناقلات الرأسية والأفقية للمصفوفة؛ يتم تسجيل المعلومات وقراءتها عن طريق تطبيق نبضات كهربائية من خلال قنوات المصفوفة المتصلة بالعناصر التابعة لخلية الذاكرة المحددة.

ليس فقط القدرة على العمل مع البرامج كثيفة الاستخدام للموارد، ولكن أيضًا يعتمد أدائها على مقدار ذاكرة الوصول العشوائي المثبتة في جهاز الكمبيوتر، لأنه في حالة وجود نقص في الذاكرة، يتم استخدام القرص الصلب كتوسيع منطقي لها، ووقت الوصول وهو أعلى بما لا يقاس. بالإضافة إلى حجم ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، يتأثر أداء الكمبيوتر أيضًا بسرعته والطريقة المستخدمة لتبادل البيانات بين المعالج الدقيق والذاكرة.

يتم تنفيذ OP على شرائح DRAM (ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية)، والتي تتميز، مقارنة بأنواع الذاكرة الأخرى، بتكلفة منخفضة وسعة محددة عالية، ولكنها تستهلك طاقة أعلى وأداء أقل. يتم تخزين كل بايت معلومات (0 و 1) في DRAM كشحنة مكثف. ونظراً لوجود تيارات تسرب، يجب تجديد شحن المكثف على فترات معينة. ونظرًا للحاجة المستمرة للتحديث، تُسمى هذه الذاكرة بالديناميكية. يتطلب تجديد محتويات الذاكرة وقتًا إضافيًا، ولا يُسمح بكتابة المعلومات إلى الذاكرة أثناء التجديد.

انخفضت تكلفة ذاكرة الوصول العشوائي بشكل حاد مؤخرًا (من صيف عام 1995 إلى صيف عام 1996 - أكثر من 4 مرات)، وبالتالي أصبحت المتطلبات الكبيرة للعديد من البرامج وأنظمة التشغيل على ذاكرة الوصول العشوائي أقل عبئًا من الناحية المالية.

لتسريع الوصول إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) على أجهزة الكمبيوتر عالية السرعة، يتم استخدام ذاكرة تخزين مؤقت مستقرة فائقة السرعة، والتي تقع كما لو كانت "بين" المعالج الدقيق وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وتقوم بتخزين نسخ من أقسام ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) الأكثر استخدامًا. عندما يصل المعالج الدقيق إلى الذاكرة، فإنه يبحث أولاً عن البيانات الضرورية من ذاكرة التخزين المؤقت. نظرًا لأن وقت الوصول إلى الذاكرة المؤقتة أقل بعدة مرات من الذاكرة التقليدية، وفي معظم الحالات، يتم تخزين البيانات التي يحتاجها المعالج الدقيق بالفعل في ذاكرة التخزين المؤقت، ويتم تقليل متوسط ​​وقت الوصول إلى الذاكرة. يتم تنفيذ ذاكرة التخزين المؤقت على شريحة SRAM (ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة).

بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر المستندة إلى Intel-386DX أو 80386SX، يعد حجم ذاكرة التخزين المؤقت 64 كيلو بايت مرضيًا، و128 كيلو بايت كافية تمامًا. عادةً ما تكون أجهزة الكمبيوتر المعتمدة على Intel-80486DX وDX2 وDX4 وPentium مزودة بذاكرة تخزين مؤقت تبلغ سعتها 256 كيلو بايت.

تحتوي المعالجات الدقيقة من سلسلة 486 وPentium على ذاكرة تخزين مؤقت داخلية صغيرة، لذلك من أجل توضيح المصطلحات، أحيانًا في الأدبيات التقنية تسمى ذاكرة التخزين المؤقت الموجودة على لوحة النظام بذاكرة L2 Cache.

في المعالج الدقيق Pentium Pro، يتم تضمين ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني في حزمة واحدة مع المعالج نفسه (يمكن للمرء أن يقول إنها مدمجة في المعالج الدقيق).

ليس من الضروري أن يكون لديك كل الذاكرة، والمعلومات التي يجب أن تتغير. من الأفضل تخزين بعض أهم المعلومات بشكل دائم في ذاكرة الكمبيوتر. هذه الذاكرة تسمى دائمة. يتم تخزين البيانات في الذاكرة الدائمة أثناء تصنيعها. كقاعدة عامة، لا يمكن تغيير هذه البيانات، بل يمكن للبرامج التي تعمل على الكمبيوتر قراءتها فقط. يُسمى هذا النوع من الذاكرة عادةً ROM (ذاكرة القراءة فقط)، أو ROM (ذاكرة القراءة فقط).

يقوم الكمبيوتر المتوافق مع كمبيوتر IBM الشخصي بتخزين البرامج في الذاكرة الدائمة لفحص الأجهزة والكمبيوتر وبدء تحميل نظام التشغيل (OS) وتنفيذ الوظائف الأساسية لخدمة أجهزة الكمبيوتر. نظرًا لأن معظم هذه البرامج مرتبطة بخدمات الإدخال / الإخراج، فغالبًا ما تسمى محتويات الذاكرة الدائمة BIOS (نظام الإدخال / الإخراج الأساسي، أو نظام الإدخال / الإخراج الأساسي).

تحتوي العديد من أجهزة الكمبيوتر على BIOS يستند إلى FLASH. يمكن تغيير هذه الذاكرة عن طريق البرامج، مما يسمح لك بتحديث BIOS باستخدام برامج خاصة، دون استبدال اللوحة الأم أو شريحة BIOS.

في جميع أجهزة الكمبيوتر باستثناء القديمة جدًا، يحتوي BIOS أيضًا على برنامج إعداد تكوين الكمبيوتر (SETUP). يسمح لك بتعيين بعض خصائص أجهزة الكمبيوتر (أنواع وحدات تحكم الفيديو، ومحركات الأقراص الصلبة، ومحركات الأقراص المرنة، وبعض أوضاع العمل مع ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، وطلب كلمة المرور عند التمهيد، وما إلى ذلك). عادةً، يتم استدعاء برنامج التكوين إذا قام المستخدم بالضغط على مفتاح معين أو مجموعة مفاتيح معينة (عادةً مفتاح Del) أثناء عملية التمهيد.

سعة ذاكرة FLASH من 32 كيلو بايت إلى 2 ميجابايت، ووقت الوصول للقراءة 0.06 ميكروثانية، ووقت الكتابة لكل بايت حوالي 10 ميكروثانية؛ ذاكرة FLASH هي ذاكرة غير متطايرة.

بالإضافة إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وذاكرة القراءة فقط (ROM) العاديتين، يحتوي الكمبيوتر على كمية صغيرة من الذاكرة لتخزين إعدادات تكوين الكمبيوتر. غالبًا ما يطلق عليها اسم ذاكرة CMOS لأن هذه الذاكرة يتم تصنيعها عادةً باستخدام تقنية CMOS (أشباه موصلات أكسيد المعدن التكميلي)، والتي تتميز باستهلاك منخفض للطاقة. لا تتغير محتويات ذاكرة CMOS عند إيقاف تشغيل الكمبيوتر لأنها تستخدم بطارية خاصة لتشغيلها.

وبالتالي، تتكون سعة الذاكرة الرئيسية من ملايين خلايا الذاكرة الفردية بسعة بايت واحد لكل منها. تتراوح السعة الإجمالية للذاكرة الرئيسية لأجهزة الكمبيوتر الحديثة عادة من 1 إلى 4 جيجابايت. سعة ذاكرة الوصول العشوائي أكبر بأمر أو أمرين من سعة ذاكرة القراءة فقط: ذاكرة القراءة فقط تشغل ما يصل إلى 2 ميجابايت على اللوحات الأم الجديدة)، والباقي هو ذاكرة الوصول العشوائي.

تنظيم الذاكرة في آلات الحوسبة

الغرض والمعلمات الرئيسية و

تصنيف أنواع الذاكرة

أجهزة الذاكرة (أجهزة التخزين) VM مصممة لتسجيل وتخزين وقراءة المعلومات المقدمة في شكل رقمي /2,3/. تعمل أجهزة الذاكرة، مثل المعالجات، بنوعين من المعلومات - البرامج والبيانات، وبالتالي فإن خصائص الذاكرة تحدد إلى حد كبير أداء ووظائف الجهاز الافتراضي.

تعمل أجهزة الذاكرة بوضعين - الوصول إلى الذاكرةو تخزين. في وضع الوصول إلى الذاكرة، تتم كتابة المعلومات أو قراءة المعلومات من الذاكرة. إذا لم يتم الوصول إلى الذاكرة، فإنها تدخل في وضع التخزين.

المعلمات الرئيسية التي تميز أجهزة الذاكرة هي سعة المعلومات (الحجم)، والأداء، واستهلاك الطاقة والتكلفة /2،5،8/.

سعة المعلومات (الحجم)يتم تحديد جهاز الذاكرة من خلال الحد الأقصى لكمية المعلومات المخزنة ويتم قياسه بالبايت، وKB، وMB، وGB، وTB.

1 كيلو بايت = 210 بايت؛ 1 ميجابايت = 220 بايت؛ 1 جيجابايت = 230 بايت و1 تيرابايت = 240 بايت.

يتميز أداء الذاكرة بالمعلمات الرئيسية التالية:

وقت أخذ العينات (الوصول) t V،فاصل زمني محدد بين لحظات إشارة أخذ العينات (بداية دورة القراءة) واستلام بيانات القراءة عند مخرج الذاكرة؛

مدة دورة التداول t C، والذي يتم تحديده بواسطة الحد الأدنى المسموح به للفاصل الزمني بين عمليات الوصول المتعاقبة إلى الذاكرة. باعتبار أن الوصول إلى الذاكرة يعني الكتابة أو القراءة، فإنه ينقسم أحيانًا مدة دورة القراءة t C.CHT. و مدة دورة التسجيل ر Ts.ZP.لأنواع الذاكرة التي تختلف أطوال دوراتها، على سبيل المثال. ر C.CHT. ≠ ر Ts.ZP .

بشكل عام، تتكون دورة الوصول من مرحلة الاسترجاع (الوصول) ومرحلة تجديد الذاكرة (الاسترداد)، وبالتالي ر ج > ر الخامس.

يمكن أيضًا وصف سرعة الذاكرة بمعدل نقل البيانات المكتوبة أو المقروءة وقياسها بالميغابايت / ثانية.

يكون استهلاك الطاقة للعديد من أنواع الذاكرة في وضع الوصول أعلى بكثير منه في وضع التخزين. الذاكرة غير المتطايرة في وضع التخزين لا تستهلك أي كهرباء على الإطلاق. لكن عددًا من أنواع الذاكرة، على سبيل المثال، الذاكرة الديناميكية الإلكترونية، تتطلب دورات تجديد في وضع التخزين، وبالتالي فإن استهلاك الطاقة في هذا الوضع يكون مشابهًا لاستهلاك الطاقة في وضع الوصول.

لمقارنة أنواع مختلفة من الذاكرة، من الملائم استخدام استهلاك الطاقة وتكلفة أجهزة الذاكرة المخفضة إلى خلية واحدة (أي محددة).

معلمة الذاكرة الهامة هي أيضا عرض ناقل بيانات الذاكرة,تحديد عدد البايتات التي يمكن قراءتها أو كتابتها في وقت واحد.

يمكن تصنيف أجهزة الذاكرة الافتراضية وفقًا لمعايير مختلفة: وفقًا للمبدأ المادي للتشغيل، وفقًا للغرض الوظيفي، وفقًا لطريقة التنظيم، والحاجة إلى مصدر الطاقة في وضع التخزين، وما إلى ذلك.

وفقًا للمبدأ الفيزيائي للتشغيل، يتم تصنيف الذاكرة إلى إلكترونية ومغناطيسية وبصرية ومغناطيسية بصرية.

الذاكرة الإلكترونيةيتم تنفيذها على عناصر أشباه الموصلات ويتم تنفيذها في شكل LSI. تنقسم الذاكرة الإلكترونية إلى ثابتةو متحرك.

في الذاكرة الثابتة LSI، يتم استخدام المشغلات الثابتة على الترانزستورات ثنائية القطب أو ذات التأثير الميداني كخلايا ذاكرة أولية. كما هو معروف، فإن عدد الحالات المستقرة للمشغل هو اثنان، مما يسمح باستخدامه لتخزين وحدة من المعلومات - قليلا. تستخدم خلايا الذاكرة لتخزين البايتات والكلمات 8 و16 قلابًا، على التوالي.

في الذاكرة الديناميكية LSI، تُستخدم المكثفات الكهربائية كخلايا ذاكرة أولية. إن وجود الشحنة يتوافق مع تخزين "1" المنطقي، وغياب الشحنة - يتوافق مع تخزين "0" منطقي. يتم استخدام إما السعات البينية لترانزستورات MOS أو مكثفات MOS المنشأة خصيصًا في بلورة LSI كمكثفات تخزين. يظهر في الشكل 6.1 جزء من مخطط كتلة الذاكرة الديناميكية، الذي يحتوي على خليتين 1 و2.

تحتوي كل خلية ذاكرة أولية على مكثف تخزين MOS C (أعشار pF) ومفتاح ترانزستور T الذي يربط هذا المكثف بحافلة البيانات. يتم توصيل بوابة مفتاح الترانزستور MOS بالإخراج المقابل لجهاز فك تشفير العنوان. عند تحديد خلية، يفتح المفتاح T ويوصل المكثف C بناقل البيانات. علاوة على ذلك، اعتمادًا على نوع الأمر: الكتابة (WR) أو القراءة (RD)، تتم كتابة بيانات الإدخال (DI) أو قراءة بيانات الإخراج (DO) من خلال مكبر الصوت المقابل.

تعد الذاكرة الديناميكية مقارنة بالذاكرة الساكنة أبسط وأرخص بكثير وتوفر درجة عالية جدًا من التكامل، أي. قدرة محددة أعلى. ولكن بالمقارنة مع الذاكرة الديناميكية الثابتة، فهي أبطأ وتتطلب تجديدًا دوريًا (استعادة) للمعلومات في الخلايا الأولية. بمعنى آخر، من الضروري استعادة الشحن بشكل دوري على مكثفات التخزين C، والتي يتم تفريغها ذاتيًا بمرور الوقت، أي. معلومات "تخسر". للقيام بذلك، تتم قراءة المعلومات من خلايا الذاكرة كل بضعة مللي ثانية ثم تتم إعادة كتابة المعلومات، مما يسمح باستعادة الشحن على مكثفات التخزين C. إن الحاجة إلى تنظيم دورات التحديث الدورية تجعل الذاكرة ديناميكية إدارة أكثر تعقيدا إلى حد ما.

بالنسبة لوحدات الذاكرة الإلكترونية النموذجية، وقت الوصول تلفزيونيتراوح من الوحدات إلى عشرات النانو ثانية ( nsec)، وتبلغ سعة المعلومات عشرات ومئات الميغابايت.

الذاكرة الإلكترونية الثابتة والديناميكية هي متقلب، أي. عند إيقاف تشغيل مصدر الطاقة، لا يتم حفظ المعلومات الموجودة في الخلايا. يوجد ايضا غير متطايرالذاكرة الإلكترونية – أجهزة ذاكرة للقراءة فقط (ROM)، لا يمكن قراءة المعلومات منها إلا أثناء تشغيل الجهاز الافتراضي. سيتم مناقشة خلايا ذاكرة ROM أدناه.

الذاكرة المغناطيسيةيعتمد على وجود حالتين ثابتتين من المغنطة الدائمة في عدد من المواد المغناطيسية (على سبيل المثال، أكسيد الحديد) للعلامة المعاكسة. تتميز هذه المواد المغناطيسية بحلقة تباطؤ مستطيلة ب = و(ح)ومنهم يتم إنشاء طبقة مغناطيسية عاملة يتم تطبيقها على سطح الوسائط المتحركة المختلفة - الأقراص المغناطيسية. لكتابة وقراءة المعلومات، يتم استخدام الرؤوس المغناطيسية، وهي عبارة عن ملفات حث مصغرة ملفوفة على قلب مغناطيسي مع وجود فجوة. عند التسجيل، يقوم الرأس المغناطيسي بمغنطة قسم الطبقة المغناطيسية الذي يمر تحت فجوة العمل في الاتجاه الذي يحدده اتجاه التيار المتدفق. عند القراءة، تمر المناطق الممغنطة من السطح بالقرب من رأس القراءة الاستقرائي وتحفز نبضات القوة الدافعة الكهربية فيه. تتمتع أجهزة الذاكرة التي تستخدم هذا المبدأ بتكلفة محددة منخفضة للغاية لتخزين المعلومات، وهي غير متطايرة، ولكن كونها كهروميكانيكية، فهي أدنى بكثير من الذاكرة الإلكترونية من حيث السرعة والموثوقية واستهلاك الطاقة. بالنسبة لمحركات الأقراص الصلبة، يصل معدل نقل البيانات إلى عشرات الميجابايت/ثانية، وتصل سعة المعلومات إلى مئات الجيجابايت.

في الذاكرة الضوئيةلتخزين المعلومات، يتم استخدام تغيير في الخصائص البصرية (درجة الانعكاس بشكل أساسي) لسطح الوسائط. يصنع الوسط البصري على شكل قرص (قرص مضغوط – CD) تكون الطبقة العاكسة (طلاء معدني) منه مغلفة بطبقة من الصبغة العضوية. عند التسجيل، يتم تعديل شعاع الليزر من خلال تدفق البتات المسجلة ويحرق ثقوبًا في طبقة الصبغة في أماكن معينة في المسار. نظرا للاختلاف في معامل الانعكاس للحفر والمناطق غير المحترقة من السطح أثناء القراءة، يحدث تعديل لسطوع الشعاع المنعكس، والذي يقوم بتشفير المعلومات المقروءة من القرص المضغوط. يتم إنتاج أنواع مختلفة من الأقراص المضغوطة الضوئية: CD-ROM (ذاكرة القراءة فقط) - تسمح فقط بقراءة المعلومات المسجلة بطريقة المصفوفة، CD-R (قابل للتسجيل) - تسمح بالكتابة مرة واحدة على الأقل على القرص والقراءة المتكررة، CD-R (قابل للتسجيل) - يسمح بالكتابة مرة واحدة على الأقل على القرص والقراءة المتكررة، RW (قابل لإعادة الكتابة) - يسمح بإعادة الكتابة المتكررة على القرص (وبالطبع القراءة). الأقراص الضوئية رخيصة الثمن ولها سعة معلوماتية كبيرة (تصل إلى غيغابايت واحد)، وهي غير متطايرة ويمكن استبدالها بسهولة، ولكن من حيث السرعة والموثوقية واستهلاك الطاقة، مثل الأقراص المغناطيسية، فهي أدنى بكثير من الذاكرة الإلكترونية.

بناءً على غرضها الوظيفي، يمكن تصنيف أجهزة الذاكرة إلى ذاكرة الوصول العشوائي (SRAM)، وذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، وذاكرة القراءة فقط (ROM)، وجهاز تخزين خارجي (ESM).

كبشمخصص لتخزين البرامج (النظام، التطبيق) والبيانات التي تستخدمها وحدة المعالجة المركزية مباشرة في الوقت الحالي. عادةً ما تكون فترات دورات القراءة والكتابة لذاكرة الوصول العشوائي هي نفسها. عادةً، يتم استخدام الذاكرة الديناميكية التي يصل حجمها إلى بضعة غيغابايت كذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، اعتمادًا على غرض MS ونطاقه.

سرامأو الذاكرة المؤقتة- هذه ذاكرة صغيرة الحجم وعالية السرعة يكون وقت دورة الوصول إليها t T أقل من مدة دورة جهاز المعالج. لذلك، عند الوصول إلى الذاكرة المؤقتة، ليس من الضروري إدخال دورات انتظار المعالج في دورات الوصول إلى ذاكرة الجهاز. الذاكرة المؤقتة هي ذاكرة عازلة بين ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ووحدة المعالجة المركزية (CPU) وتعمل على الذاكرة الثابتة. تقوم ذاكرة التخزين المؤقت بتخزين نسخ من الكتل (الصفحات) من البرامج والبيانات من مناطق ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) التي تم الوصول إليها آخر مرة، بالإضافة إلى الدليل - قائمة مراسلاتها الحالية مع مناطق ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). في كل مرة يتم فيها الوصول إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، تتحقق وحدة التحكم في ذاكرة التخزين المؤقت للدليل لمعرفة ما إذا كانت هناك نسخة صالحة من الكتلة (الصفحة) المطلوبة في ذاكرة التخزين المؤقت. إذا كان هناك نسخة هناك، فهذا هو الحال ضربات ذاكرة التخزين المؤقت، ويتم الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت فقط للبيانات أو التعليمات البرمجية. إذا لم تكن هناك نسخة صالحة هناك، فهذا هو الحال ملكة جمال ذاكرة التخزين المؤقت، ويتم كتابة الكتلة (الصفحة) المطلوبة من ذاكرة الوصول العشوائي إلى ذاكرة التخزين المؤقت، ويتم الكتابة بدلاً من الكتلة (الصفحة) الأقل صلة التي تمت إزالتها مسبقًا من ذاكرة التخزين المؤقت في ذاكرة الوصول العشوائي، أي. كتلة من المعلومات، وكان عدد مرات الوصول إليها هو الأصغر. بسبب الخصائص الأساسية الكامنة في البرامج والبيانات، مثل مكانيو محلة مؤقتة/2,7,13/ عدد مرات الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت أكبر بعدة مرات من عدد مرات فقدان ذاكرة التخزين المؤقت حتى مع أحجام ذاكرة التخزين المؤقت الصغيرة (الوحدات - عشرات الكيلوبايت). لذلك، يؤدي استخدام ذاكرة التخزين المؤقت إلى تحسين أداء الأجهزة الافتراضية بشكل ملحوظ. عادةً، يتم تنفيذ ذاكرة التخزين المؤقت وفقًا لمخطط ثلاثي المستويات: ذاكرة تخزين مؤقت أساسية (L1 Cache)، بسعة عشرات كيلوبايت، وذاكرة تخزين مؤقت ثانوية (L2 Cache)، بسعة مئات كيلوبايت، وتقع في الكريستال MP، ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثالث (L3 Cache)، يتم تثبيت وحدات ميغابايت على اللوحة الأم أو في مبنى MP.

ذاكرة للقراءة فقطهي ذاكرة إلكترونية غير متطايرة تُستخدم لتخزين المعلومات غير القابلة للتغيير أو التي نادرًا ما تتغير أثناء تشغيل الجهاز الظاهري: برنامج النظام (BIOS)، والبرامج التطبيقية للأجهزة الافتراضية المدمجة والمضمنة، ومجموعات من الجداول، ومعلمات التكوين المتنوعة أنظمة ، إلخ. وضع التشغيل الرئيسي لـ ROM هو القراءة، مما يؤدي إلى ظهور اسم شائع آخر لهذه الذاكرة ROM (ذاكرة القراءة فقط). عادةً ما تكون كتابة المعلومات إلى ROM، والتي تسمى البرمجة، أكثر صعوبة وتتطلب وقتًا وطاقة أكبر من قراءتها.

VZUتم تصميمها للتخزين غير المتطاير لكميات كبيرة من المعلومات المنظمة بشكل خاص: الملفات وقواعد البيانات والمحفوظات. من السمات المميزة للذاكرة الخارجية أن أجهزتها تعمل في كتل من المعلومات، وليس بالبايت أو الكلمات، كما تسمح ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). بالإضافة إلى ذلك، لا يستطيع المعالج الوصول إلى VRAM إلا من خلال ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). تُستخدم عادةً محركات الأقراص (محركات الأقراص الثابتة والأقراص المضغوطة) كذاكرة فيديو (VRAM)، مما يسمح بتخزين مئات الجيجابايت من المعلومات.

الذاكرة الإلكترونية العازلةيتم تضمينها في وحدات التحكم للأجهزة الخارجية المختلفة التي تحل مشاكل عرض وإدخال المعلومات ومهام الاتصال وتحويل الإشارات وما إلى ذلك. يتيح لك وجود الذاكرة المؤقتة تنسيق معدلات نقل المعلومات المختلفة بشكل كبير لناقل النظام والأجهزة الخارجية، وتقليل الوقت الذي يستخدم فيه كل جهاز خارجي ناقل النظام وزيادة أداء الجهاز الظاهري.

يتم تحديد طريقة تنظيم الذاكرة من خلال طريقة وضع المعلومات والبحث عنها في الذاكرة. بناءً على هذه الميزة، يتم التمييز بين تنظيم العنوان والذاكرة الترابطية والمكدس.

في ذاكرة العنوانللوصول إلى خلايا الذاكرة المستخدمة عناوين، والذي يشير إلى رموز أرقام خلايا الذاكرة. يتيح لك تنظيم عنوان الذاكرة الوصول إلى خلايا الذاكرة حسب عناوينها بأي ترتيب، ومدة دورة الوصول هي نفسها لجميع الخلايا، بغض النظر عن العنوان. ولذلك، يُستخدم أيضًا مصطلح "ذاكرة الوصول العشوائي" أو RAM (ذاكرة الوصول العشوائي) لتسمية هذه الذاكرة. على سبيل المثال، تحتوي ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وذاكرة القراءة فقط (ROM) على تنظيم ذاكرة قابل للعنونة.

في الذاكرة الترابطيةلا يتم البحث عن معلومات (AMU) عن طريق عناوين خلايا الذاكرة، بل عن طريق محتوياتها أو جزء منها. في الحالة العامة، يتم تنفيذ طلب الذاكرة الترابطية عن طريق تحديد قائمة البتات التي ينبغي استخدامها للبحث عن خلية ذاكرة، وعن طريق تحديد محتويات البتات المخصصة. يتم تحديد قائمة البتات للبحث فيها قناع التسجيل.يحتوي هذا السجل على نفس عرض البتات مثل خلية الذاكرة في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، ويحتوي فقط على تلك البتات التي يتم البحث عنها. في سياق التسجيليتم تحديد محتوى هذه البتات، وعمق البت الخاص بها يساوي عرض البت الخاص بسجل القناع.

إذا تم العثور على خلية تحتوي على مجموعة معينة من الأصفار والواحدات، فإن وحدة ACU تولد استجابة إيجابية تشير إلى عنوان الخلية التي تم العثور عليها. بعد ذلك، يتم نقل العنوان إلى وحدة فك ترميز العنوان، ويمكن قراءة محتويات هذه الخلية بالكامل أو كتابة محتويات جديدة عليها. وبخلاف ذلك، تقوم وحدة ACU بإنشاء استجابة سلبية للطلب.

يتم البحث عن المعلومات حسب السياق في ASD في وقت واحد عبر جميع خلايا الذاكرة، لذا فإن ASD أسرع بعدة مرات من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، ولكنه أيضًا يكلف أكثر بكثير. في أنظمة الحوسبة الحديثة، يتم استخدام ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، على سبيل المثال، كجزء من ذاكرة التخزين المؤقت.

كومة الذاكرة(المكدس)، تمامًا مثل النقابي، بلا عنوان. يمكن النظر إلى المكدس على أنه مجموعة من الخلايا التي تشكل مصفوفة أحادية البعد حيث ترتبط الخلايا المتجاورة ببعضها البعض عن طريق دوائر نقل الكلمات الثنائية. في هذه الذاكرة تتم الكتابة والقراءة وفق قاعدة "الإدخال الأخير أول الإخراج (LIFO)". ولهذا السبب يُطلق على المكدس اسم ذاكرة تخزين الترتيب العكسي. عادةً ما يتم تنظيم المكدس في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). يتم تحديد عدد الكلمات الموجودة على المكدس بواسطة سجل مؤشر المكدس SP، ويتم إجراء الكتابة إلى المكدس والقراءة منه باستخدام أمري PUSH وPOP، على التوالي. يتم استخدام ذاكرة المكدس على نطاق واسع، كما تمت مناقشته أعلاه، عند التعامل مع المقاطعات واستدعاء الإجراءات الفرعية.

إلى جانب الذاكرة المكدسة، أصبحت ذاكرة "المجلة" ذات ترتيب القراءة العالي منتشرة على نطاق واسع، أي. "أول قراءة مكتوبة أولاً" أو "الإدخال الأول والإخراج الأول (FIFO)". تسمى هذه الذاكرة بالذاكرة العازلة، وهي، مثل المكدس، منظمة في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM).