Требования к подсистеме оперативной памяти компьютера

Глава 5. Иерархия памяти

С точки зрения программиста оперативная память компьютера должна быть:

очень большой (теоретически бесконечной);

очень быстрой;

энергонезависимой – при отключении питания информация должна сохраняться столько, сколько это необходимо;

дешевой.

Ответ на первый вопрос (насколько большой объем должна иметь оперативная память) зависит от того, на выполнение какого типа приложе­ний ориентируется компьютер. Программисты всегда считают, что чем больший объем оперативной памяти имеется, тем луч­ше. В современных условиях комфортная работа многих приложений обеспечивается при наличии в универсальном компьютере оперативной памяти емкостью в несколько Гбайт. В тоже время имеется немало приложений для успешного выполнения которых необходимы и значительно большие емкости оперативной памяти.

В компьютерах с 32-х разрядными целочисленными регистрами общего назначения максимальная емкость адресуемой оперативной памяти ограничена цифрой 2³² , что составляет 4Г байта. Для значительного числа обычных приложений персональных компьютеров, мобильных устройств типа смартфонов, планшетов и т.п. в настоящее время емкость оперативной памяти 4Г байта достаточна.

В компьютерах с 64-х разрядными целочисленными регистрами общего назначения максимальная емкость адресуемой оперативной памяти ограничена цифрой 2⁶⁴ . Конечно, такою оперативную память реализовать невозможно, да и она пока не нужна таких размеров. Однако, для больших компьютеров, для суперкомпьютеров уже в настоящее время необходима оперативная память десятки, сотни и даже тисячи Гбайт.

Немного более определенным может быть ответ на второй вопрос, о быстродействии. Для того чтобы система обладала максимальной производительностью, воз­можной при данном типе процессора, быстродействие оперативной памяти должно быть таким, чтобы обеспечить его полную загрузку, т.е. процессор не должен простаивать, ожи­дая, пока из оперативной памяти будут извлечены необходимые для его работы данные. Если процессор работает на частоте 3 Ггц (такт 0.33 нс), то время обращения в оперативную память необходимо не более одного или нескольких тактов. Если процессор работает на частоте 20 Мгц (такт 50 нс), то время обращения в оперативную память достаточно 50–100 нс (опять-таки 1 – 2 такта процессора).

Что же касается стоимости подсистемы оперативной памяти, то ее стоимость должна быть со­поставима со стоимостью остальных подсистем компьютера.

Соображения, которыми руководствуется конструктор компьютера при проектировании подсистемы памяти, можно свести к поиску ответов на три во­проса: "Какая емкость?", "Какое быстродействие?", "Сколько будет стоить?"

Естественно, что все эти параметры подсистемы оперативной памяти взаимосвязаны. Для современного этапа развития технологии характерно такое отношение между ними;

чем выше быстродействие, тем выше относительная стоимость запоминающего устройства (в пере­счете на разряд хранимой информации);

чем больше емкость оперативной памяти в компьютере, тем выше относительная стоимость запоминающего устройства;

чем больше емкость оперативной памяти в компьютере, тем ниже ее быстродействие.

Наиболее быстродействующая полупроводниковая память (статическая полупроводниковая память) удовлетворяет требованиям по быстродействию, но не удовлетворяет всем остальным требованиям. Эта память относительно малого объема, дорогая и энергозависимая.

Динамическая полупроводниковая память:

уступает по быстродействию статической полупроводниковой памяти не менее чем на 2 десятичных порядка (причем это соотношение продолжает ухудшаться с развитием полупроводниковых технологий);

меньше по стоимости (не менее чем на десятичный порядок);

превосходит ее по емкости;

энергозависимая.

Память на дисковых магнитных носителях:

очень дешевая;

энергонезависимая;

очень медленная. Она уступает динамической полупроводниковой памяти:

по времени доступа – примерно в миллион раз медленнее;

по скорости считывания – не менее чем на несколько десятичных порядков медленнее.

Суть дилеммы, стоящей перед конструктором, достаточно очевидна. С одной стороны, желательно использовать такую технологию хранения информации, которая позволит включить в состав компьютера оперативную память возможно большего объема, поскольку при этом снижается относительная стоимость хранения единицы информации. Но, с другой стороны, требование обеспечить необходимую производительность, особенно на стыке "процессор-оперативная память", заставляет его использовать блоки относительно небольшого объема, обладающие необходимым быстродействием.