Evaluarea performanței ierarhiei de memorii a calculatorului

1. Introducere in ierarhia memoriei calculatorului

1.1. Scopul general al modelului architectural a memoriei calculatorului

Memoria este partea sistemelor de calcul care se utilizeaza pentru pastrarea si regasirea ulterioara a datelor si instructiunilor. Operatiile principale în care este implicata memoria sunt urmatoarele:

- Preluarea datelor de intrare în memorie;

- Pastrarea datelor pana la prelucrarea lor de catre UCP;

- Pastrarea datelor de iesire pana cand ele vor putea fi preluate de echipamentele de iesire;

- Transmiterea datelor din memorie la iesire.

Principalele caracteristici de care trebuie sa se tina cont la realizarea unui sistem de memorie sunt capacitatea si performantele memoriei, în special timpul de acces.

Pe langa acestea, trebuie sa se ia în considerare si costul memoriei. Aceste caracteristici sunt contradictorii. De exemplu, exista în general urmatoarele relatii între capacitatea, timpul de acces si costul pe bit al diferitelor tehnologii utilizate pentru implementarea sistemelor de memorie:

- O capacitate mai mare implica un timp de acces mai mare;

- O capacitate mai mare implica un cost pe bit mai mic;

- Un timp de acces mai mic implica un cost pe bit mai mare.

Pe de o parte, trebuie utilizate tehnologii de memorie care asigura o capacitate ridicata, pentru ca o asemenea capacitate este necesara, si deoarece costul pe bit al acestor tehnologii este mai redus. Pe de alta parte, pentru a satisface cerintele de performanta, trebuie utilizate memorii cu un timp de acces redus, care au un cost ridicat si o capacitate relativ redusa. Aceste cerinte contradictorii se pot asigura daca se utilizeaza în cadrul unui sistem de calcul mai multe componente si tehnologii de memorie, care formeaza o ierarhie de memorii.

Memoria interna principala a calculatorului este cea la care fac referire cele mai multe instructiuni si date. Pentru operatiile interne ale UCP si cele aritmetice si logice, se utilizeaza registrele. Memoria principala este extinsa uneori cu o memorie mai rapida, de dimensiuni mai mici, numita memorie cache sau memorie tampon rapida. Memoria principala si extensiile sale sunt, în general, volatile. Datele sunt pastrate pe termen lung în memorii externe de masa, dintre care cele mai utilizate sunt discurile si benzile magnetice. Acestea se utilizeaza pentru memorarea fisierelor de programe si de date. Discurile se utilizeaza de asemenea pentru a asigura o extensie a memoriei principale, numita memorie virtuala.

Pe masura deplasarii din partea superioara a ierarhiei spre cea inferioara, se constata urmatoarele:

- Scade costul pe bit;

- Creste capacitatea;

- Creste timpul de acces;

- Scade frecventa de acces la memorie de catre UCP.

1.2. Ierarhia de memorii

O ierarhie tipica de memorii poate fi descrisa astfel:

1. Registrele CPU: in arhitectura calculatorului, un registru al procesorului reprezinta o cantitate mica de stocare disponibila pe CPU a carui continut poate fi accesat mult mai rapid decat datele disponibile din orice alt loc. Majoritatea arhitecturilor calculatoarelor moderne opereaza pe principiul de mutare a datelor din memoria principala in registre, procesarea datelor, apoi mutarea rezultatului inapoi in memoria principala.

2. Primul nivel de cache: o memorie cache a procesorului poate fi definita ca o memorie volatila folosita de catre unitatea centrala de procesare (CPU) a calculatorului pentru a reduce timpul mediu de acces la memorie. O memorie cache este o memorie mica si foarte rapida care stocheaza copii ale datelor din cele mai frecvent folosite locatii ale memoriei principale. Datorita faptului ca majoritatea acceselor la memorie se fac asupra locatiilor din memoria cache, latenta medie a acceselor la memorie va fi mai apropiata de latenta cache-ului decat de latenta memoriei principale. Acest nivel este cel mai aproape de procesor (de multe ori acest nivel este integrat pe acelasi chip) si de asemenea este cea de-a doua memorie rapida dupa registrele CPU.

3. Al doilea nivel de cache: aceasta memorie este mai lenta si de dimensiuni mai mari.

4. Memoria principala (RAM): memoriile RAM sunt numite si memorii cu acces aleator. Caracteristica principala a memoriilor RAM este ca ele pot fi atat citite, cat si înscrise în mod simplu, prin semnale electrice. O alta caracteristica a acestora este volatilitatea, continutul memoriilor fiind pierdut la întreruperea tensiunii de alimentare. Memoriile RAM pot fi utilizate deci doar ca memorii temporare.

5. Hard Disk: aceasta este o memorie non-volatila, cea mai lenta si cea mai mare din ierarhia de memorii a calculatorului care poate retine informatiile stocate chiar si daca nu este alimentata. În general hard discurile sunt utilizate ca suport de stocare extern principal pentru calculatoare personale. Daca la începuturi capacitatea unui hard disc nu depasea 20 megaocteti, astazi, un hard disc obisnuit poate depasi si 1 teraoctet .