Почему невозвожно реализовать идеальную подсистему памяти при использывании одной технологии?

Для того чтобы ответить на этот вопрос необходимо разобраться в существующей структуре памяти.

Повышение производительности вычислительных систем непосредственно связано с увеличением быстродействия и емкости памяти. Емкость памяти наиболее крупных вычислительных систем возросла от 1000 байт до десятков терабайт, а время цикла уменьшилось с 20 мкс до 10 нс. Однако даже с учетом прогресса в технологии быстродействующие запоминающие устройства остаются более дорогими, чем медленные. Следовательно, с целью уменьшения стоимости ВС при той же производительности эффективнее иметь иерархию памяти с небольшим по емкости запоминающим устройством, расположенным рядом с процессором и имеющим минимальное время доступа. Такая иерархия позволяет согласовать характеристики памяти и центрального процессора.

С ростом сложности, а также размерности технических и научных задач возрастает требование к объему памяти. Рост объема памяти в свою очередь приводит к большим физическим размерам устройства, увеличению длины проводников и задержки распространения сигналов, т. е. уменьшается время доступа к такой памяти. Хотя быстродействие и емкость отдельных устройств памяти возросли, этого было не достаточно для того, чтобы они соответствовали характеристикам процессора. Конечно, можно реализовать память больших объемов, которая несколько быстрее имеющейся на данный момент при помощи совершеннейших технологий, существующих на данный момент. Однако стоимость такой памяти по отношению к увеличению ее производительности будет очень велика и использование такой памяти экономически невыгодно.

Компромиссом между производительностью и объемами памяти является решения использовать иерархию запоминающих устройств, т. е. применять в ВС так называемую иерархическую модель памяти. При хорошо построенной иерархической системе памяти среднее время доступа ко всей памяти лишь незначительно превышает время доступа к небольшому быстродействующему запоминающему устройству, а количество хранящейся информации равно емкости большой памяти. Идея иерархии запоминающих устройств в том или ином виде с самого начала была одной из важных концепций при разработке вычислительных систем.

Иерархическая память-это система памяти, состоящая как минимум из двух запоминающих устройств, отличающихся быстродействием и емкостью. Обычно первое устройство памяти, расположенное в непосредственной близости от процессора, имеет малое время доступа и более высокую стоимость на бит. В связи с этим емкость более быстродействующей памяти в иерархии делается небольшой для того, чтобы оптимизировать стоимость всей системы. Технология памяти второго уровня иерархии выбирается исходя из низкой стоимости на один бит; такая память имеет большие значения времени цикла и времени доступа.

Иерархическая память управляется пользовательскими программами, аппаратным путем или системным программным обеспечением так, чтобы система памяти по времени доступа приближалась к быстродействующей памяти, а по стоимости — к медленной памяти. Примером иерархии, управляемой системным программным обеспечением, является организация виртуальной памяти со страничной организацией применяемая в данное время всеми современными операционными системами: недостаток емкости оперативной памяти возмещается внешней дисковой памятью.

Применение иерархических систем памяти оправдывает себя в следствие двух важных факторов — принципа локальности обращений и низкого (экономически выгодного) соотношения стоимость/производительность. Принцип локальности обращений говорит о том, что большинство программ к счастью не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.

Иерархия памяти существует главным образом для того, чтобы повысить экономическую эффективность системы путем оптимального сочетания временных и стоимостных характеристик различных запоминающих устройств. Для того чтобы иерархия памяти была экономически эффективной, память должна иметь высокие эксплуатационные характеристики. Это означает, что технические параметры запоминающих устройств на разных уровнях иерархии должны существенно различаться. Невозможно достигнуть больших различий по эксплуатационным характеристикам и стоимости малой и большой памяти, если и та и другая выполнены по одной технологии и имеют близкие по значению времена доступа.