Организация безадресной и виртуальной памяти

Ассоциативная память В памяти этого типа поиск информации происходит не по адресу, а по ее содержанию. Под содержанием информации в данном случае понимается не смысловая нагрузка лежащего на хранении в ячейке памяти слова, а содержание ЗЭ ячейки памяти, т. е. побитовый состав записанного двоичного слова. При этом ассоциативный запрос (признак) также представляет собой двоичный код с определенным побитовым составом. Поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек ЗМ и представляет собой операцию сравнения содержимого разрядов регистра признака с содержимым соответствующих разрядов ячеек памяти. Для организации такого поиска все ЗЭ ЗМ снабжены однобитовыми процессорами, поэтому в ряде случаев память такого типа рассматривают как многопроцессорную систему.

Полностью ассоциативная память большого объема является очень дорогостоящим устройством, поэтому для ее удешевления уменьшают число однобитовых процессоров до одного на ячейку памяти. В этом случае сравнение ассоциативного запроса с содержимым ячеек памяти идет последовательно для отдельных разрядов, параллельно во времени для всех ячеек ЗМ.

При очень больших объемах памяти на определенных классах задач ассоциативный поиск существенно ускоряет обработку данных и уменьшает вероятность сбоя в ЭВМ. Кроме того, ассоциативные ЗУ с блоками соответствующих комбинационных схем позволяют выполнить в памяти достаточно сложные логические операции: поиск максимального или минимального числа в массиве, поиск слов, заключенных в определенные границы, сортировку массива и т. д.

Следует отметить, что ассоциативный поиск можно реализовать и в компьютере с обычной адресной памятью, последовательно вызывая записанные в ячейки памяти слова в процессор и сравнивая их с некоторым ассоциативным признаком (шаблоном). Однако при больших объемах памяти на это будет затрачено много времени. При использовании ассоциативной памяти можно, не считывая слов из ОП в процессор, за одно обращение определить количество слов, отвечающих тому или иному ассоциативному запросу. Это позволяет в больших базах данных очень оперативно реализовать запрос типа: сколько жителей области не представило декларацию о доходах и т. п.

В некоторых специализированных ЭВМ ОП или его часть строится таким образом, что позволяет реализовать как ассоциативный, так и адресный поиск информации.

Упрощенная структурная схема ассоциативной памяти, в которой все ЗЭ ЗМ снабжены однобитовыми процессорами, приведена на рис. 4.3.

Первоначально рассмотрим операцию, называющуюся контроль ассоциации. Эта операция является общей для операции считывания и записи, а также имеет самостоятельное значение.

По входной информационной шине в РгАП поступает n-разрядный ассоциативный запрос, т. е. заполняются разряды от 0 до n-1. Одновременно в РгМ поступает код маски поиска, при этом n-й разряд РгМ устанавливается в 0. Ассоциативный поиск производится лишь для совокупности разрядов РгАП, которым соответствуют 1 в РгМ (незамаскированные разряды РгАП). Для слов, в которых цифры в разрядах совпали с незамаскированными разрядами РгАП, КС устанавливает 1 в соответствующие разряды РгСв и 0 в остальные разряды.

Комбинационная схема формирования результата ассоциативного обращения ФС формирует из слова, образовавшегося в РгСв, как минимум три сигнала:

• 0 — отсутствие в ЗМ слов, удовлетворяющих ассоциативному признаку;
• 1 — наличие одного такого слова;
• 2 — наличие более чем одного слова.

Возможны и другие операции над содержимым РгСв, например подсчет количества единиц, т. е. подсчет слов в памяти, удовлетворяющих ассоциативному запросу, и т. п.

Формирование содержимого РгСв и ₀, ₁, ₂ по содержимому РгАП, РгМ, ЗМ и называется операцией контроля ассоциации.

Считывание. Сначала производится контроль ассоциации по признаку в РгАП.

Затем:

• 0 = 1 — считывание отменяется из-за отсутствия искомой информации;
• 1 = 1 — считывается в РгИ найденное слово, после чего выдается на ШИ_вых;
• 2 = 1 — считывается слово, имеющее, например, наименьший номер среди ячеек, отмеченных 1 в РгСв, после чего выдается на ШИ_вых.

Запись. Сначала отыскивается свободная ячейка (полагаем, что в разряде занятости свободной ячейки записан 0). Для этого выполняется контроль ассоциации при РгАП=111…10 и РгМ=000…01, т. е. n-й разряд РгАП устанавливается в 0, а n-й разряд РгМ — в 1. При этом свободная ячейка отмечается 1 в РгСв. Для записи выбирают свободную ячейку, например, с наименьшим номером. В нее записывается слово, поступившее с ШИ_вх в РгИ.

Следует отметить, что на данной схеме не изображены блоки БУП, БУС, БУЗ, которые есть в реальных устройствах. Кроме того, для построения ассоциативной памяти требуются запоминающие элементы, допускающие считывание без разрушения.

Стековая память (магазинная). Стековая память, так же как и ассоциативная, является безадресной. Стековая память может быть организована как аппаратно, так и на обычном массиве адресной памяти.

В случае аппаратной реализации ячейки стековой памяти образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов (рис. 4.4). При этом возможны два типа устройств (а, б), принципы функционирования которых различны. Рассмотрим первоначально структуру на.

Запись нового слова, поступившего с ШИ_вх, производится в верхнюю (нулевую) ячейку, при этом все ранее записанные слова (включая слово в ячейке 0) сдвигаются вниз, в соседние ячейки, номера которых на единицу больше. Считывание возможно только из верхней (нулевой) ячейки памяти. Основной режим — это считывание с удалением. При этом все остальные слова в памяти сдвигаются вверх, в соседние ячейки с меньшими номерами. В такой памяти реализуется правило: последний пришел — первый ушел. Стеки подобного типа принято называть стеками LIFO (Last In — First Out).

В ряде случаев устройства стековой памяти предусматривают также операцию простого считывания слова из ячейки 0 без его удаления и сдвига остальных слов. При использовании стека для запоминания параметров инициализации контроллеров каких-либо устройств ЭВМ обычно предусматривается возможность считывания содержимого любой ячейки стека без его удаления, т. е. считывание содержимого не только ячейки 0.

О первом слове, посылаемом в стек, говорят, что оно располагается на дне стека. О последнем посланном (по времени) в стек слове говорят, что оно находится в вершине стека. Таким образом, ячейка N-1 — дно стека, а ячейка 0 — вершина.

Обычно аппаратный стек снабжается счетчиком стека СчСт, показывающим общее количество занесенных в память слов (СчСт = 0 — стек пустой). При заполнении стека полностью он запрещает дальнейшие операции записи.

Стековый принцип организации памяти можно реализовать не только в специально предназначенных для этого устройствах. Стековая организация.

данных возможна и на обычной адресной памяти с произвольным обращением (программный стек). Для организации стека LIFO в этом случае необходима еще одна ячейка памяти (регистр), в которой всегда хранится адрес вершины стека и которая называется указателем стека. Обычно в качестве указателя стека используют один из внутренних регистров процессора. Кроме этого, требуется соответствующее программное обеспечение. Принципы стековой организации данных на обычной адресной памяти иллюстрируются схемой на рис. 4.5.

В отличие от аппаратного стека данные, размещенные в программном стеке, при записи нового числа или считывании не перемещаются. Запись каждого нового слова осуществляется в ячейку памяти, следующую по порядку за той, адрес которой содержится в указателе стека. После записи нового слова содержимое указателя стека увеличивается на единицу (см. рис. 4.5). Таким образом, в программном стеке перемещаются не данные, а вершина стека. При считывании слова из стека происходит обратный процесс. Слово считывается из ячейки, адрес которой находится в указателе стека, после чего содержимое указателя стека уменьшается на единицу.

Если вновь загружаемые в стек слова размещаются в ячейках памяти с последовательно увеличивающимися адресами, стек называют прямым. Если адреса последовательно убывают, то — перевернутым. В большинстве случаев используется перевернутый стек, что связано с особенностями аппаратной реализации счетчиков внутри процессора.

Чем удобна такая форма организации памяти? Забегая вперед, можно отметить, что любая команда, выполняемая в процессоре, в общем случае должна содержать код операции (КОП), адрес первого и второго операндов и адрес занесения результата. Для экономии памяти и сокращения времени выполнения машинной команды процессором желательно уменьшить длину команды. Пределом такого уменьшения является длина безадресной команды, т. е. просто КОП. Именно такие команды оказываются возможными при стековой организации памяти, так как при правильном расположении операндов в стеке достаточно последовательно их извлекать и выполнять над ними соответствующие операции.

Помимо рассмотренной выше стековой памяти типа LIFO в ЭВМ используются стековые памяти другого типа, реализующие правило: первый пришел — первый ушел. Стеки подобного типа принято называть стеками FIFO (First In — First Out). Такая стековая память широко используется для организации различного рода очередей (команд, данных, запросов и т. д.). Обобщенная структура аппаратного стека типа FIFO представлена на рис. 4.4, б.

Как и в предыдущем случае, ячейки стековой памяти образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Запись нового слова, поступившего с ШИ_вх, осуществляется в верхнюю (нулевую) ячейку, после чего оно сразу перемещается вниз и записывается в последнюю по счету незаполненную ячейку. Если стек перед записью был пустой, слово сразу попадает в ячейку с номером N-1, т. е. на дно стека. Считывание возможно только из нижней ячейки с номером N-1 (дно стека). Основной режим — это считывание с удалением. При этом все последующие (записанные) слова сдвигаются вниз, в соседние ячейки, номера которых на единицу больше. При заполнении стека счетчик (СчСт) запрещает дальнейшие операции записи в стек.

Таким образом, в отличие от стека LIFO, в стеке FIFO перемещается не дно, а вершина. Записываемые в стек FIFO слова постепенно продвигаются от вершины ко дну, откуда и считываются по мере необходимости, причем темп записи и считывания определяются внешними управляющими сигналами и не связаны друг с другом.

Программная реализация стека FIFO в настоящем разделе не рассматривается, поскольку на практике используется достаточно редко.

Виртуальная память Суть концепции виртуальной памяти состоит в том, что виртуальное пространство, с которым имеет дело процесс (программа), отделяется от реальных адресов вычислительной системы. Диапазон виртуальных адресов, к которым может обращаться процесс, называется виртуальным адресным пространством этого процесса, а диапазон реальных адресов называется реальным адресным пространством компьютера. Множество виртуальных адресов, как правило, значительно превосходит диапазон адресов реальной памяти. Перевод виртуального адреса в реальный адрес во время выполнения процесса называется динамическим преобразованием адресов. Адреса, смежные в V (виртуальное пространство), необязательно будут смежными в R (реальное пространство). Таким образом, пользователь освобождается от необходимости учитывать размещение своих процедур и данных в реальной памяти. Только небольшая часть кода и данных каждого процесса размещается в оперативной памяти. Остальная часть хранится во внешней памяти (диск).

Системы виртуальной памяти требуют наличия таблиц отображения виртуального адреса в реальный. Главная задача разработчиков систем — это минимизация количества информации отображения при удовлетворительных скоростных характеристиках системы. Эта цель достигается поблочным отображением: информация группируется в блоки и система следит за тем, в каких местах реальной памяти размещаются различные блоки из виртуального пространства. Блоки фиксированного размера называются страницами; блоки переменного размера называются сегментами. В некоторых системах оба вида блоков комбинируются — применяются сегменты, состоящие из целых страниц. Адреса рассматриваются как упорядоченные пары.

V=(b, d),.

где b — номер блока с виртуальным адресом, d — смещение адреса относительно начала блока b. Таблица отображения блоков обычно хранится в кэш-памяти.

Преобразование виртуального адреса в реальный. Реальный адрес a таблицы загружается в специальный регистр начального адреса таблицы блоков. Таблица содержит по одной строке для каждого блока процесса, причем эти строки идут в порядке возрастания номеров (блок 0, блок 1, …). Hомер блока суммируется с адресом а, образуя реальный адрес строки таблицы для блока b. Эта строка содержит реальный адрес b' блока в реальной памяти. К b' прибавляется смещение d и образуется реальный адрес r=b'+d.

Существует два наиболее распространенных способа реализации виртуальной памяти — страничный и сегментный.

При работе машины с ВП, используются методы страничной, сегментной и сегментно-страничной организации памяти.

Виртуальная Память при страничной организации Рассмотрим первую форму организации ВП — страничную организацию (СО). Нужно отметить очень важный пункт, что при СО, все ресурсы памяти, как оперативной, так и внешней представляются для пользователя единым целым. Пользователь работает с общим адресным пространством и не задумывается, какая память при этом используется: оперативная или внешняя, а эта общая память носит название виртуальной (моделируемой). Виртуальная память разбивается на страницы, которые содержат определённое фиксированное количество ячеек памяти. При этом одна страница математической памяти не может быть больше или меньше других все страницы должны быть одинаковы по количеству ячеек. Передача информации между памятью и диском всегда осуществляется целыми страницами. Страницы, в отличие от сегментов, имеют фиксированную длину, обычно являющуюся степенью числа 2, и не могут перекрываться. Типичные размеры страниц 256, 512, 1024, 2048 Байт и более (числа кратные 256).

На рисунке 1 изображена схема Страничной организации виртуальной памяти.

Рис. 1 Страничная организация Виртуальной Памяти.

Виртуальные адреса делятся на страницы (page), соответствующие единицы в физической памяти образуют страничные кадры (page frames), а в целом система поддержки страничной виртуальной памяти называется пейджингом (paging). Виртуальный адрес в страничной системе упорядоченная пара (p, d), где p — номер страницы в виртуальной памяти, а d — смещение в рамках страницы p, где размещается адресуемый элемент. Система отображения виртуальных адресов в физические сводится к системе отображения виртуальных страниц в физические и представляет собой таблицу страниц, которая адресуется при помощи специального регистра процессора и позволяет определить номер кадра по виртуальному адресу.

В большинстве современных компьютеров со страничной организацией виртуальной памяти все таблицы страниц хранятся в основной памяти, а быстрота доступа к элементам таблицы текущей виртуальной памяти достигается за счет наличия сверхбыстродействующей буферной памяти (кэша).

Преимущества и недостатки ВП со страничной организацией Во-первых, одним из преимуществ ВП с СО является достаточно большой объём прямо адресуемой памяти. Действительно объем памяти может исчисляться сотнями мегабайт (и даже гигабайтами). Размер виртуальной памяти целиком зависит от объёма накопителя на [жестком] магнитном диске. Еще одним преимуществом ВП с СО является то, что программы пользователя могут размещаться в любых свободных страницах. И наконец, одним из важнейших преимуществ ВП с СО (то, ради чего, собственно и была изобретена виртуальная память) повышение уровня мультипрограммной работы.

Основным недостатком виртуальной памяти, пожалуй, является то количество времени, которое машина тратит на обращение к внешней памяти. Извлечь необходимую информацию из ячеек оперативной памяти не представляет особого труда и больших затрат времени. Совсем иначе обстоит дело с диском: для того чтобы найти необходимую информацию, нужно сначала «раскрутить» диск, потом найти необходимую дорожку, в дорожке найти сектор, кластер, далее считать побитовую информацию в ОП. Данный недостаток не может быть устранён никоим образом, так как понятие виртуальной памяти ассоциируется с применением внешней памяти (магнитного диска).

Следующий недостаток скорее относится к вопросу о технической характеристике компьютера: наличие сверхоперативной памяти (СОП). И, наконец, третьим недостатком является внутренняя фрагментация страниц.

Сегментная и сегментно-страничная организации памяти.

Существуют две другие схемы организации виртуальной памяти: сегментная и сегментно-страничная. При использовании метода сегментно-страничной организации ВП, пользовательские программы разбиваются на отдельные массивы. Эти массивы независимые участки называются сегментами. При сегментной организации виртуальный адрес по-прежнему является двумерным и состоит из двух полей — номера сегмента и смещения внутри сегмента. Заметим, что с точки зрения ОС сегменты являются логическими сущностями и их главное назначение хранение и защита однородной информации (кода, данных и т. д.). Отличие сегмента от страницы состоит в том, что длина сегмента может изменяться в процессе работы.

Сегментно-страничная организация памяти требует более сложной аппаратурно-программной организации. На рисунке 2 подробно показан способ организации ВП с ССО. Адрес ячейки в данном случае складывается из 3х частей: первая содержит номер самого сегмента (Segment), по этому номеру машина обращается к сегментной таблице. Вторая часть адреса содержит номер искомой страницы (page), которая находится внутри выбранного сегмента и третья смещение (length), по которому находится требуемый адрес. Pµ, обведенное в двойную рамку показывает математический адрес, а Pф физический. Как и при СО, смещение l переписывается в ячейку физического адреса без изменений.

Вверху рисунка, аббревиатурой N обозначен номер какой-нибудь программы пользователя. А⁰ с индексом 1 обозначает конкретный начальный адрес сегментной таблицы для данной программы. Сначала берется этот адрес и номер сегмента S из регистра математического адреса. Оба этих адреса складываются в сумматоре, который изображен в виде обведенного плюса. Получившийся адрес А¹ + S является входом в сегментную таблицу (изображен в первой колонке сегментной таблицы). Далее, благодаря этому адресу, отыскивается соответствующий адрес страничной таблицы (А⁰ с индексом 2), который в свою очередь суммируется с номером искомой страницы p в сумматоре. Результирующая сумма есть вход в страничную таблицу. Структура страничной таблицы нам уже знакома.

сегментно-страничная организация вп Используются две таблицы отображения — таблица сегментов, связывающая номер сегмента с таблицей страниц, и отдельная таблица страниц для каждого сегмента.

Сегментно-страничная организация виртуальной памяти позволяла совместно использовать одни и те же сегменты данных и программного кода в виртуальной памяти разных задач (для каждой виртуальной памяти существовала отдельная таблица сегментов, но для совместно используемых сегментов поддерживались общие таблицы страниц).