[МУЗЫКА] [МУЗЫКА] Уважаемые слушатели. Сегодня мы поговорим об организации памяти. ADV имеет много устройств памяти, и они образуют определённую иерархию от самых быстрых до самых медленных. Начинается всё с регистров. Регистры — это устройства, которые считаются с триггеров и расположены прямо в процессоре, поэтому доступ к ним самый быстрый. Сегодняшние ЭВМ имеют сотни или даже тысячи регистров с тем, чтобы обеспечить скорость работы. Следующий уровень иерархии образует так называемая кэш-память. Кэш — это по-французски cacher, «кошелёк» или место, куда вы кладёте что-нибудь, что может быстро понадобиться. Исторически такое название сложилось. Как обычно, в нашей специальности очень много жаргонных слов с течением времени становятся нормальными официальными терминами. Так вот кэш-память — это очень быстрая память, довольно дорогая, в которой хранятся часто используемые фрагменты основной памяти. Как она устроена я чуть позже расскажу. Следующая — это основная оперативная память. Когда я начинал работу программистом память была там 1000 слов, потом 512 тысяч слов, теперь уже мегабайты и даже гигабайты. Я — генеральный директор большого предприятия, и меня раздражает, когда мои молодые программисты говорят, что им 2 гигабайтов не хватает, им надо 6, 8 гигабайтов. Я про себя думаю: «Куда они эту память девают?» Но тем не менее сегодняшняя жизнь именно такова, что оперативная память довольно большая. Следующий уровень памяти образует дисковая память. Тоже довольно быстрая и довольно большая, но, конечно, медленнее, чем оперативная память. Надо сказать, что раньше ещё использовались барабаны, поскольку я очень люблю историю ЭВМ, я вам обязательно упомяну об этом. Такие металлические цилиндры, на них был нанесён магнитный слой, на них можно было читать и писать. И 30–40 лет назад это была основная внешняя память. Но потом диски их вытеснили. Наконец после дисков по иерархии памяти идут ленты, магнитные ленты. Опять-таки одно время это была очень популярная основная внешняя память. Я помню, как мы с бобинами с лентами ездили в Москву, ставили, снимали, но потом диски стали всё больше по ёмкости и больше, ленты вытеснили, а потом вдруг неожиданно появилась вторая реинкарнация лент, и ленты стали применять для хранения бэкап-памяти, это запасная память, если диск испортился, чтобы была где-то информация сохранена. И для полноты картины упомянем ещё перфоленты и перфокарты — такие бумажные полоски с дырочками. Я на них очень много работал, очень долго, но сегодня это, по-моему, тоже, скорее, история ЭВМ. Поподробнее разберём каждый из этих уровней памяти. Кэш-память. Кэш-память — это быстрая память, довольно дорогая, надо это знать, и поэтому она не может быть очень большой. Скажем, 256 килобайт или 512 килобайт, но вряд ли больше. И в кэш-памяти хранятся наиболее часто используемые участки основной памяти. Хранятся в кэш-памяти не слова отдельные, а целые линейки, скажем, в процессоре x86, основной микропроцессор, который используется в персоналках, там линейка составляет 64 байта. И эти линейки связываются в цепные списки так, что наиболее часто используемые линейки находятся в начале списка и при каждом обращении к линейке она перетаскивается в самое начало списка. А таким образом редко используемые линейки потихонечку из списка уходят. И, в общем, надо сказать, что сегодня уже научились так делать, что кэш-память довольно высокий процент обращений берёт на себя, не давая обращаться к основной памяти, которая в разы медленнее. Основная память бывает двух типов: статическая, которая состоит из триггеров, быстрая, но довольно дорогая; и динамическая, которая состоит из конденсаторов. Если вы помните школьный курс физики, конденсатор — это две пластины, и между ними диэлектрик. И вот если есть заряд на конденсаторе, считается, что единичка есть, а если нет заряда, считается, что на конденсаторе 0. Но поскольку идеальных диэлектриков не бывает, заряд потихонечку истекает, поэтому приходится всё время делать так называемый refresh. То есть читать и писать куски памяти. Это тоже является некоим накладным расходом и ещё более замедляет динамическую память. Короче, сегодня можно сказать, что сегодня динамические памяти бывают, нормальная машина содержит какие-то гигабайты: 2, 4, 8 гигабайтов динамической памяти. А статическая память применяется для кэш-памяти и ещё для каких-то особо важных участков, для каких-то особо важных работ, где требуется высокая скорость работы. Какие характеристики можно назвать у основной памяти? Прежде всего это latency — задержка. Память всегда была медленнее процессоров. Когда я был молодой, соотношение было 3 — 4, то есть память была в три, в четыре раза медленнее процессоров. А сегодня память в 15–20 раз медленнее, чем процессоры. Мне трудно сказать, в чем дело, я не инженер, а математик, но в общем так устроена современная электроника, что память как-то развивается в сторону величины, гигабайтов, а процессоры в основном развиваются в сторону увеличения производительности скорости. Поэтому сегодня соотношение между памятью и процессорами ещё более плохое, чем оно было 15–20 лет назад. Следующая характеристика — cycle time, время цикла. Если вы помните, на первой лекции я вам показывал основную синхросерию на слайде. Так вот расстояние между двумя фронтами этих прямоугольничков называется циклом, или тактом. И чем больше частота тактов, тем больше скорость работы машины. Сегодняшние ЭВМ работают на скоростях в гигагерцах, то есть миллиарды тактов в секунду. Не все команды занимают один такт, некоторые команды требуют для исполнения многих тактов. Тем не менее, в общем, когда вы покупаете персональный компьютер, то прежде всего обращаете внимание на скорость работы, а именно частота в тактах. И вот если там 1–2 гигагерца, то это уже хорошая машина, а если там совсем только килогерцы, то это медленная машина. Следующая характеристика — ширина доступа к памяти, bandwidth. Такое труднопроизносимое английское слово. То есть сколько байтов вы можете передать за один такт из памяти в процессор. Здесь я хочу привести вам очень характерный пример, исторический пример. IBM вообще хорошая компания, я про неё ещё много раз буду упоминать в данном курсе, но вот момент выпуска персональных компьютеров IBM прозевала. И уже были Commodore, там Apple первые пошли. А IBM это дело прозевала. Но в конце концов все-таки они прочухали, что это дело важное, выделили аж трех инженеров, и эти инженеры создали персональный компьютер IBM PC XT. Кстати, очень хороший компьютер, видимо, инженеры были хорошие, а начальство просто прозевало такой важный момент. Так вот в первых IBM PC XT был процессор Intel i8086, 16-разрядный процессор, и ширина доступа к памяти тоже была 16. И компьютеры, я их просто хорошо помню, стоили примерно 5000 долларов, персональный компьютер стоил 5000 долларов. Их покупали, естественно, мало, все-таки дорого. И тогда IBM пошло на следующий шаг, на мой взгляд, очень интересное инженерное решение. Они стали использовать микропроцессор Intel i8088, который тоже 16-разрядный, как и 86-й, но ширина доступа к памяти была не 16, а 8, поэтому 16-разрядное слово надо было читать за два такта. Так вот, стоимость упала до 1500 долларов, то есть больше чем, в два раза. Больше, чем в три раза упала стоимость. Вот теперь вы понимаете, что такое шина доступа к памяти и насколько она определяет стоимость машины. Итак, на этом примере хорошо видно, какую высокую роль играет понятие bandwidth — ширина доступа и как это влияет на стоимость компьютера.
