Διδακτικά Βιβλία του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου

Αναζήτηση

Βρες
Εμφάνιση

Ιεραρχία μνήμης στους σύγχρονους υπολογιστές

Βλέπουμε ότι τα σύγχρονα υπολογιστικά συστήματα, για να καλύψουν διαφόρων επιπέδων ανάγκες σε ταχύτητα και χωρητικότητα μνήμης, επιστρατεύουν πολλαπλούς τύπους μνήμης.

Οι διαφορετικές αυτές μνήμες διαφοροποιούνται ως προς τα τρία βασικά τους χαρακτηριστικά: το χρόνο προσπέλασης, το κόστος αποθήκευσης και τη χωρητικότητά τους. Μάλιστα, ο χρόνος προσπέλασης και η χωρητικότητα είναι «ανάλογα» μεταξύ τους, δηλαδή όταν το ένα αυξάνει, τότε αυξάνει και το άλλο, ενώ αυτά τα δύο μεγέθη είναι «αντιστρόφως ανάλογα» προς το κόστος αποθήκευσης.

Για να μπορεί να εκμεταλλευθεί ο υπολογιστής τα διαφορετικά χαρακτηριστικά των μνημών που διαθέτει, χωρίς το κόστος του να είναι παράλογο, οι μονάδες μνήμης μπορούν να θεωρηθούν ότι είναι οργανωμένες σε μια ιδεατή ιεραρχία (memory hierarchy). Στην «κορυφή» της ιεραρχίας, όπου το μέγεθος της μνήμης είναι πολύ μικρό, βρίσκονται οι πιο γρήγορες και ακριβές μνήμες. Στη «βάση» της ιεραρχίας το μέγεθος της μνήμης είναι μεγάλο και τοποθετούνται αργές και φθηνές μνήμες.

Με τον τρόπο αυτό ελαχιστοποιείται ο μέσος χρόνος προσπέλασης στη μνήμη και το κόστος αποθήκευσης ανά μονάδα πληροφορίας, ενώ μεγιστοποιείται ο συνολικός χώρος αποθήκευσης του συστήματος.

Μια τυπική ιεραρχία μνήμης έχει στο ανώτατο επίπεδό της τους καταχωρητές της ΚΜΕ, επειδή αυτοί αντιπροσωπεύουν τον αμεσότερο τρόπο αποθήκευσης πληροφοριών. Ωστόσο, οι καταχωρητές δεν μπορούν να αποθηκεύσουν αξιόλογο όγκο δεδομένων.

Στο αμέσως επόμενο επίπεδο της ιεραρχίας τοποθετείται η λανθάνουσα μνήμη, η οποία συνήθως υλοποιείται με ψηφίδες στατικής RAM (SRAM). Στη λανθάνουσα μνήμη αντιγράφονται τμήματα της κύριας μνήμης, με την προσδοκία ότι οι επόμενες αναφορές προς την κύρια μνήμη θα μπορέσουν να εξυπηρετηθούν κατ' ευθείαν. Η λανθάνουσα μνήμη είναι περίπου δέκα φορές ταχύτερη από την κύρια μνήμη.

Η κύρια μνήμη καταλαμβάνει το αμέσως επόμενο επίπεδο της ιεραρχίας. Υλοποιείται συνήθως με ψηφίδες δυναμικής RAM (DRAM), οι οποίες χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερο χρόνο προσπέλασης και μικρότερο κόστος ανά μονάδα αποθηκευμένης πληροφορίας σε σχέση με τα κυκλώματα τύπου SRAM. Η κύρια μνήμη χρησιμοποιείται, όταν μία λέξη δεν βρεθεί στη λανθάνουσα μνήμη. Τότε, εκτός από την ανάγνωση ή εγγραφή αυτής της λέξης, ενεργοποιείται και ο μηχανισμός για την αντιγραφή των γειτονικών της θέσεων από την κύρια προς τη λανθάνουσα μνήμη. Αυτό γίνεται γιατί η τοπικότητα της αναφοράς προβλέπει ότι είναι πιθανόν οι επόμενες προσπελάσεις στη μνήμη να γίνουν σε λέξεις γειτονικές με αυτή που τώρα προσπελάστηκε.

Στα τελευταία επίπεδα της ιεραρχίας τοποθετούνται οι μονάδες των μαγνητικών και οπτικών δίσκων, και οι μονάδες των μαγνητικών ταινιών. Αυτές οι μονάδες εξασφαλίζουν τη μόνιμη και ασφαλή αποθήκευση μεγάλου όγκου δεδομένων. Η ταχύτητα προσπέλασης σε αυτές είναι σχετικά χαμηλή, λόγω των ηλεκτρομηχανικών διαδικασιών προσπέλασης στα δεδομένα. Οι μαγνητικές ταινίες είναι ιδεώδεις για την αποθήκευση εφεδρικών αντιγράφων (backup copies) των δεδομένων. Οι μαγνητικοί δίσκοι προσφέρονται και για την υλοποίηση του μηχανισμού της εικονικής μνήμης.

Η κύρια μνήμη ενός προσωπικού υπολογιστή είναι περίπου 1000 φορές πιο γρήγορη από ένα σκληρό δίσκο και γύρω στις 100 φορές πιο μικρή σε χωρητικότητα. Επίσης είναι περίπου 100 φορές πιο ακριβή ανά bit.