Класична пятиблочний структура Неймана, розглянута раніше, передбачала наявність лише одного пристрою пам'яті - ОП. Однак сучасні ЕОМ мають ієрархічну структуру пам'яті, кожен рівень якої характерний різною швидкодією і ємністю. Поява численних ієрархічно розташованих рівнів пам'яті пов'язано, перш за все, з постійним збільшенням розриву в швидкодії процесора і ОП, яке необхідно компенсувати для підвищення продуктивності ЕОМ в цілому.
Крім того, розвиток програмного забезпечення та розширення кола завдань, що вирішуються на ЕОМ, вимагали постійного збільшення обсягу ОП. Тим часом відомо, що на всьому протязі розвитку ЕОМ вимоги до ємності і швидкодії ЗУ були суперечливі - чим вище швидкодія, тим технічно важче і дорожче обходиться збільшення ємності. Необхідність підтримки вартості пам'яті ЕОМ на прийнятному рівні, а також безліч технічних проблем, пов'язаних з побудовою швидкодіючих ЗУ великого обсягу, і привели в процесі еволюції до створення ієрархічної структури пам'яті сучасної ЕОМ.
Незважаючи на істотні відмінності в принципах функціонування та технічної реалізації різних рівнів пам'яті, існують загальні принципи побудови всієї ієрархії:
- чим ближче рівень пам'яті до процесора, тим вище його швидкодія і менше ємність;
- алгоритми взаємодії всіх рівнів пам'яті побудовані так, що кількість звернень верхнього, більш швидкодіючого рівня до нижчого, менш швидкодіючому, сусідньому рівню є мінімальним;
- обмін інформацією між сусідніми ієрархічними рівнями пам'яті в більшості випадків здійснюється блоками фіксованої довжини, що дозволяє прискорити обмін за рахунок апаратної реалізації алгоритмів.
У загальному випадку пам'ять сучасної ЕОМ включає в себе наступні ієрархічні рівні:
· Надоперативна пам'ять (СОП), яка називається ще місцевої пам'яттю.
· Кеш-пам'ять, яка зазвичай відсутня в найпростіших процесорних пристроях. У більш складних ЕОМ кеш має кілька рівнів, причому кеш верхнього рівня завжди знаходиться в кристалі процесора.
· Пам'ять з прямим доступом на магнітних дисках.
· Пам'ять з послідовним доступом на магнітних стрічках.
Пристрої перераховані в порядку убування швидкодії і збільшення обсягу.
Розглянемо в найзагальніших рисах функціональне призначення пристроїв пам'яті, зображених на рис. 4.1.
Оперативна (основна) пам'ять, системне ПЗУ. Назва цього пристрою пам'яті (ОП) відображає той факт, що процесор може працювати тільки з програмами, які завантажені в ОП. Цей принцип був покладений в основу функціонування перших однозадачних ЕОМ. За цим же принципом функціонують сучасні багатозадачні однопроцесорні системи (багатопроцесорні системи розглянуті в останній частині даного курсу). При відсутності кеш ОП служить для зберігання інформації, безпосередньо використовується в обчислювальному процесі. З ОП в процесор надходять операнди і команди, а назад - результати виконаних операцій.
Характеристики ОП безпосередньо впливають на характеристики ЕОМ в цілому і насамперед на продуктивність (навіть при наявності кеш).
Обсяг ВП залежить від цільового призначення ЕОМ і коливається в дуже широкому діапазоні - від десятків Кбайт в найпростіших контролерах до сотень Мбайт. У сучасних ЕОМ ОП завжди виконується на напівпровідникових ЗУ і має тривалість циклу звернення не більше 1-2 мкс. (В ЕОМ першого покоління ОП будувалася спочатку на електронних лампах, а потім на феритових кільцях).
Системне ПЗУ може зберігати ядро операційної системи, утиліти, драйвери, службові та прикладні програми і т.д. При включенні ЕОМ або її роботі програми, записані в системному ПЗУ, в більшості випадків завантажуються в ОП (ОЗУ) і тільки після цього обробляються процесором.
Надоперативна пам'ять. Необхідність в СОП виникла вже в перших ЕОМ, коли швидкість роботи процесора перевищила швидкість роботи ВП. Сучасні СОП завжди будуються на напівпровідниках і являють собою набори регістрів, що знаходяться всередині кристала процесора в безпосередній близькості від АЛУ і УУ. Швидкодія СОП має відповідати швидкодії АЛУ і УУ процесора. Цикл звернення до СОП становить 1-2 такту. Обсяг СОП дуже невеликий. У багатьох випадках СОП називають також внутрішньої реєстрової пам'яттю процесора. Регістри СОП використовують для тимчасового зберігання результатів операції в АЛП, операндов, службових констант, дуже коротких наборів команд оброблюваної програми і т.д.
За своєю суттю СОП є буферною пам'яттю, яка в якійсь мірі згладжує розрив у швидкодії процесора і ОП. Однак її незначний обсяг не дозволяє отримати прийнятне рішення проблеми, тому в процесі еволюції ЕОМ виник інший ієрархічний рівень буферної пам'яті, швидкодія якого трохи нижче СОП, а ємність істотно більше.
Кеш-пам'ять. Пам'ять цього типу є швидкодіючим буфером досить великого обсягу між процесором (його внутрішньою пам'яттю) і порівняно повільно діючої ОП. Її обсяг (однорівнева кеш) становить близько 16-256 Кбайт на 4-8 Мбайт ОП. Ця пам'ять недоступна програмісту (cash в перекладі означає тайник). Кеш-пам'ять, як уже зазначалося, розташовується в безпосередній близькості від процесора, а кеш верхніх рівнів - безпосередньо в кристалі процесора. В даний час кеш верхнього рівня і СОП стали фактично єдиним ієрархічним рівнем внутрішньої пам'яті процесора. У IBM PC БІС нижнього рівня кеш розташовується на процесорної шини. Інформація в кеш-пам'ять закачується з ОП невеликими блоками, при цьому непотрібні блоки видаляються з кеш назад в ОП. Алгоритми обміну кеш-пам'яті і ОП вельми суворі і будуть розглянуті далі. Наявність кеш-пам'яті дозволяє згладити різницю у швидкодії процесора і ОП. Крім того, кеш-пам'ять дає можливість в ряді випадків не переривати роботу процесора при обміні зовнішніх пристроїв з ОП в режимі прямого доступу (DMA).
Зовнішня пам'ять. Потреба в пам'яті, обсяг якої істотно перевершував би розмір існуючих ОП, виникла в процесі експлуатації вже перших ЕОМ. Така пам'ять могла вирішити багато проблем, пов'язаних з введенням в ЕОМ великих програм, які було неможливо розмістити в ОП, і особливо зі зберіганням великих наборів даних. Спочатку в якості зовнішньої пам'яті ЕОМ використовувалися накопичувачі на магнітних барабанах (НМБ) і магнітних стрічках (НМЛ). Потім були розроблені і створені накопичувачі на жорстких і гнучких магнітних дисках (НМД), які стали інтенсивно витісняти більш повільні НМЛ. Згодом були створені накопичувачі на оптичних і магнітооптичних дисках.
В даний час основним типом пристрою зовнішньої пам'яті є НМД. Зовнішню пам'ять на НМД іноді називають оперативним зовнішнім запам'ятовуючим пристроєм (ВЗУ). НМЛ стали використовуватися як архівні ВЗУ (стримери), призначені для резервного зберігання інформації. До цього ж класу ВЗУ відносяться накопичувачі на оптичних і магнітооптичних дисках. Всі перераховані ВЗУ мають швидкодію у багато разів менше, ніж ВП, і інформація, що зберігається на них, не може безпосередньо перероблятися процесором. Перед обробкою в процесорі інформація з ВЗУ має бути обов'язково поміщена в ОП. Ємність ВЗП в ряді випадків для конкретної ЕОМ і конкретного завдання можна вважати нескінченною.
Нижче розглядаються принципи побудови тільки внутрішньої пам'яті ЕОМ.