Ассоциативная память компьютера. Виртуальная память. Архитектурные средства поддержки виртуальной памяти. Общие сведения и классификация устройств памяти

Ассоциативная методика диагностики личностной зрелости Авторы: Е. В. Каляева, Т. В. ПрокофьеваИнструкция. Вашему вниманию предлагается ряд слов. Подумайте, какие ассоциации вызывает каждое из этих слов, запишите их.Предлагаются 35 характеристик, раскрывающих понятие

«Повседневная» память и долговременная память Рассмотрим еще два вопроса, имеющих отношение к теме «Память». До сих пор основное внимание уделялось стандартным лабораторным методам, часто исполь-зуемым при изучении памяти в любой возрастной период. Два последних

8. Ассоциативная психология В процессе формирования психологии стал преобладать ассоцианистский подход к восприятию. Ассоциативная психология – одно из основных направлений в психологии XVII–XIX вв. Главным объяснительным принципом психической жизни являлось понятие

Способы организации памяти

Функционально ЗУ любого типа всœегда состоят из запоминающего массива, хранящего информацию, и вспомогательных, весьма сложных блоков, служащих для поиска в массиве, записи и считывания (и, в случае если требуется, для регенерации).

Запоминающий массив (ЗМ) состоит из множества одинаковых запоминающих элементов (ЗЭ). Все ЗЭ организованы в ячейки, каждая из которых предназначена для хранения единицы информации в виде двоичного кода, число разрядов которого определяется шириной выборки. Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в ЗМ. По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую память.

АДРЕСНАЯ ПАМЯТЬ

В памяти с адресной организацией размещение и поиск информации в ЗМ основаны на использовании адреса хранения единицы информации, которую в дальнейшем для краткости будем называть словом . Адресом служит номер ячейки ЗМ, в которой это слово размещается. При записи (считывании) слова в ЗМ инициирующая эту операцию команда должна указывать адрес (номер) ячейки, по которому нужно произвести запись (считывание).

На рис. 5.2 изображена обобщенная структура адресной памяти.

Цикл обращения к памяти инициализируется поступающим в БУП сигналом "Обращение". Общая часть цикла обращения включает в себя прием в РгА с шины адреса (ША) адреса обращения и прием в БУП управляющего сигнала "Операция", указывающего вид запрашиваемой операции (считывание или запись).

Считывание . БАВ дешифрирует адрес и посылает сигнал, выделяющий заданную адресом ячейку ЗМ. В общем случае БАВ может также посылать в выделœенную ячейку памяти сигналы, настраивающие ЗЭ ячейки на запись или считывание. После этого записанное в ячейку слово считывается усилителями БУС и передается в РгИ. Далее в памяти с разрушающим считыванием происходит регенерация информации путем записи слова из РгИ через БУЗ в ту же ячейку ЗМ. Операция считывания завершается выдачей слова из РгИ на выходную информационную шину ШИ вых.

Запись. Помимо указанной выше общей части цикла обращения происходит прием записываемого слова с входной шины ШИ вх в РгИ. Сама запись в общем случае состоит из двух операций – очистки ячейки и собственно записи. Для этого БАВ сначала производит выборку и очистку ячейки, заданной адресом в РгА. Очистка ячейки ЗМ (приведение в исходное состояние) может осуществляться по-разному. В частности, в памяти с разрушающим считыванием очистку можно производить сигналом считывания слова в ячейке при блокировке БУС (чтобы в РгИ не поступила информация). Далее в выбранную ячейку записывается новое слово.

Необходимость в операции очистки ячейки перед записью, так же как и в операции регенерации информации при считывании, определяется типом используемых ЗЭ, способами управления, особенностями электронной структуры БИС памяти, в связи с этим в полупроводниковых памятях эти операции могут отсутствовать.

БУП генерирует необходимые последовательности управляющих сигналов, инициирующих работу отдельных узлов памяти. Следует иметь в виду, что БУП должна быть весьма сложным устройством (своеобразным управляющим контроллером, имеющим собственную кэш-память), придающим БИСу памяти в целом специальные потребительские свойства, такие как многопортовость, конвейерная выдача информации и т.п.

АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ

В памяти этого типа поиск информации происходит не по адресу, а по ее содержанию. Под содержанием информации в данном случае принято понимать не смысловая нагрузка лежащего на хранении в ячейке памяти слова, а содержание ЗЭ ячейки памяти, ᴛ.ᴇ. побитовый состав записанного двоичного слова. При этом ассоциативный запрос (признак) также представляет собой двоичный код с определœенным побитовым составом. Поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всœех ячеек ЗМ и представляет собой операцию сравнения содержимого разрядов регистра признака с содержимым соответствующих разрядов ячеек памяти. Для организации такого поиска всœе ЗЭ ЗМ снабжены однобитовыми процессорами, в связи с этим в ряде случаев память такого типа рассматривают как многопроцессорную систему.

Полностью ассоциативная память большого объёма является очень дорогостоящим устройством, в связи с этим для ее удешевления уменьшают число однобитовых процессоров до одного на ячейку памяти. В этом случае сравнение ассоциативного запроса с содержимым ячеек памяти идет последовательно для отдельных разрядов, параллельно во времени для всœех ячеек ЗМ.

При очень больших объёмах памяти на определœенных классах задач ассоциативный поиск существенно ускоряет обработку данных и уменьшает вероятность сбоя в ЭВМ. Вместе с тем, ассоциативные ЗУ с блоками соответствующих комбинационных схем позволяют выполнить в памяти достаточно сложные логические операции: поиск максимального или минимального числа в массиве, поиск слов, заключенных в определœенные границы, сортировку массива и т.д.

Следует отметить, что ассоциативный поиск можно реализовать и в компьютере с обычной адресной памятью, последовательно вызывая записанные в ячейки памяти слова в процессор и сравнивая их с некоторым ассоциативным признаком (шаблоном). При этом при больших объёмах памяти на это будет затрачено много времени. При использовании ассоциативной памяти можно, не считывая слов из ОП в процессор, за одно обращение определить количество слов, отвечающих тому или иному ассоциативному запросу. Это позволяет в больших базах данных очень оперативно реализовать запрос типа: сколько жителœей области не представило декларацию о доходах и т.п.

В некоторых специализированных ЭВМ ОП или его часть строится таким образом, что позволяет реализовать как ассоциативный, так и адресный поиск информации.

Упрощенная структурная схема ассоциативной памяти, в которой всœе ЗЭ ЗМ снабжены однобитовыми процессорами, приведена на рис. 5.3.

Первоначально рассмотрим операцию, называющуюся контроль ассоциации . Эта операция является общей для операции считывания и записи, а также имеет самостоятельное значение.

По входной информационной шинœе в РгАП поступает n-разрядный ассоциативный запрос, ᴛ.ᴇ. заполняются разряды от 0 до n-1. Одновременно в РгМ поступает код маски поиска, при этом n-й разряд РгМ устанавливается в 0. Ассоциативный поиск производится лишь для совокупности разрядов РгАП, которым соответствуют 1 в РгМ (незамаскированные разряды РгАП). Важно заметить, что для слов, в которых цифры в разрядах совпали с незамаскированными разрядами РгАП, КС устанавливает 1 в соответствующие разряды РгСв и 0 в остальные разряды.

Комбинационная схема формирования результата ассоциативного обращения ФС формирует из слова, образовавшегося в РгСв, как минимум три сигнала:

A 0 – отсутствие в ЗМ слов, удовлетворяющих ассоциативному признаку;

A 1 – наличие одного такого слова;

A 2 – наличие более чем одного слова.

Возможны и другие операции над содержимым РгСв, к примеру подсчет количества единиц, ᴛ.ᴇ. подсчет слов в памяти, удовлетворяющих ассоциативному запросу, и т.п.

Формирование содержимого РгСв и a 0 , a 1 , a 2 по содержимому РгАП, РгМ, ЗМ и принято называть операцией контроля ассоциации.

Считывание. Сначала производится контроль ассоциации по признаку в РгАП.

A 0 = 1 – считывание отменяется из-за отсутствия искомой информации;

A 1 = 1 – считывается в РгИ найденное слово, после чего выдается на ШИ вых;

A 2 = 1 – считывается слово, имеющее, к примеру, наименьший номер среди ячеек, отмеченных 1 в РгСв, после чего выдается на ШИ вых.

Запись. Сначала отыскивается свободная ячейка (полагаем, что в разряде занятости свободной ячейки записан 0). Для этого выполняется контроль ассоциации при РгАП=111...10 и РгМ=000...01, ᴛ.ᴇ. n-й разряд РгАП устанавливается в 0, а n-й разряд РгМ – в 1. При этом свободная ячейка отмечается 1 в РгСв. Для записи выбирают свободную ячейку, к примеру, с наименьшим номером. В нее записывается слово, поступившее с ШИ вх в РгИ.

Следует отметить, что на данной схеме не изображены блоки БУП, БУС, БУЗ, которые есть в реальных устройствах. Вместе с тем, для построения ассоциативной памяти требуются запоминающие элементы, допускающие считывание без разрушения.

СТЕКОВАЯ ПАМЯТЬ (МАГАЗИННАЯ)

Стековая память, так же как и ассоциативная, является безадресной. Стековая память должна быть организована как аппаратно, так и на обычном массиве адресной памяти.

В случае аппаратной реализации ячейки стековой памяти образуют одномерный массив, в котором сосœедние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов (рис. 5.4). При этом возможны два типа устройств (а, б), принципы функционирования которых различны. Рассмотрим первоначально структуру на рис. 5.4, а.

Запись нового слова, поступившего с ШИ вх, производится в верхнюю (нулевую) ячейку, при этом всœе ранее записанные слова (включая слово в ячейке 0) сдвигаются вниз, в сосœедние ячейки, номера которых на единицу больше. Считывание возможно только из верхней (нулевой) ячейки памяти. Основной режим - ϶ᴛᴏ считывание с удалением. При этом всœе остальные слова в памяти сдвигаются вверх, в сосœедние ячейки с меньшими номерами. В такой памяти реализуется правило: последний пришел – первый ушел . Стеки подобного типа принято называть стеками LIFO (Last In – First Out).

В ряде случаев устройства стековой памяти предусматривают также операцию простого считывания слова из ячейки 0 без его удаления и сдвига остальных слов. При использовании стека для запоминания параметров инициализации контроллеров каких-либо устройств ЭВМ обычно предусматривается возможность считывания содержимого любой ячейки стека без его удаления, ᴛ.ᴇ. считывание содержимого не только ячейки 0.

О первом слове, посылаемом в стек, говорят, что оно располагается на дне стека . О последнем посланном (по времени) в стек слове говорят, что оно находится в вершинœе стека . Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ячейка N-1 – дно стека, а ячейка 0 – вершина.

Обычно аппаратный стек снабжается счетчиком стека СчСт, показывающим общее количество занесенных в память слов (СчСт = 0 – стек пустой). При заполнении стека полностью он запрещает дальнейшие операции записи.

Стековый принцип организации памяти можно реализовать не только в специально предназначенных для этого устройствах. Стековая организация данных возможна и на обычной адресной памяти с произвольным обращением (программный стек). Для организации стека LIFO в данном случае необходима еще одна ячейка памяти (регистр), в которой всœегда хранится адрес вершины стека и которая принято называть указателœем стека . Обычно в качестве указателя стека используют один из внутренних регистров процессора. Кроме этого, требуется соответствующее програм­мное обеспечение. Принципы стековой организации данных на обычной адресной памяти иллюстрируются схемой на рис. 5.5.

В отличие от аппаратного стека данные, размещенные в программном стеке, при записи нового числа или считывании не перемещаются. Запись каждого нового слова осуществляется в ячейку памяти, следующую по порядку за той, адрес которой содержится в указателœе стека. После записи нового слова содержимое указателя стека увеличивается на единицу (см. рис. 6.5). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в программном стеке перемещаются не данные, а вершина стека. При считывании слова из стека происходит обратный процесс. Слово считывается из ячейки, адрес которой находится в указателœе стека, после чего содержимое указателя стека уменьшается на единицу.

В случае если вновь загружаемые в стек слова размещаются в ячейках памяти с последовательно увеличивающимися адресами, стек называют прямым. В случае если адреса последовательно убывают, то – перевернутым. В большинстве случаев используется перевернутый стек, что связано с особенностями аппаратной реализации счетчиков внутри процессора.

Чем удобна такая форма организации памяти? Забегая вперед, можно отметить, что любая команда, выполняемая в процессоре, в общем случае должна содержать код операции (КОП), адрес первого и второго операндов и адрес занесения результата. Для экономии памяти и сокращения времени выполнения машинной команды процессором желательно уменьшить длину команды. Пределом такого уменьшения является длина безадресной команды, ᴛ.ᴇ. просто КОП. Именно такие команды оказываются возможными при стековой организации памяти, так как при правильном расположении операндов в стеке достаточно последовательно их извлекать и выполнять над ними соответствующие операции.

Помимо рассмотренной выше стековой памяти типа LIFO в ЭВМ используются стековые памяти другого типа, реализующие правило: первый пришел – первый ушел . Стеки подобного типа принято называть стеками FIFO (First In – First Out). Такая стековая память широко используется для организации различного рода очередей (команд, данных, запросов и т.д.). Обобщенная структура аппаратного стека типа FIFO представлена на рис. 5.4, б.

Как и в предыдущем случае, ячейки стековой памяти образуют одномерный массив, в котором сосœедние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Запись нового слова, поступившего с ШИ вх, осуществляется в верхнюю (нулевую) ячейку, после чего оно сразу перемещается вниз и записывается в последнюю по счету незаполненную ячейку. В случае если стек перед записью был пустой, слово сразу попадает в ячейку с номером N-1, ᴛ.ᴇ. на дно стека. Считывание возможно только из нижней ячейки с номером N-1 (дно стека). Основной режим - ϶ᴛᴏ считывание с удалением. При этом всœе последующие (записанные) слова сдвигаются вниз, в сосœедние ячейки, номера которых на единицу больше. При заполнении стека счетчик (СчСт) запрещает дальнейшие операции записи в стек.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в отличие от стека LIFO, в стеке FIFO перемещается не дно, а вершина. Записываемые в стек FIFO слова постепенно продвигаются от вершины ко дну, откуда и считываются по мере крайне важно сти, причем темп записи и считывания определяются внешними управляющими сигналами и не связаны друг с другом.

Программная реализация стека FIFO в настоящем разделœе не рассматривается, поскольку на практике используется достаточно редко.

Способы организации памяти - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Способы организации памяти" 2017, 2018.

Поиск номера кадра, соответствующего нужной странице, в многоуровневой таблице страниц требует нескольких обращений к основной памяти, поэтому занимает много времени. В некоторых случаях такая задержка недопустима. Проблема ускорения поиска решается на уровне архитектуры компьютера.

В соответствии со свойством локальности большинство программ в течение некоторого промежутка времени обращаются к небольшому количеству страниц, поэтому активно используется только небольшая часть таблицы страниц.

Естественное решение проблемы ускорения - снабдить компьютер аппаратным устройством для отображения виртуальных страниц в физические без обращения к таблице страниц, то есть иметь небольшую, быструю кэш-память, хранящую необходимую на данный момент часть таблицы страниц. Это устройство называется ассоциативной памятью, иногда также употребляют термин буфер поиска трансляции (translation lookaside buffer - TLB).

Одна запись таблицы в ассоциативной памяти (один вход) содержит информацию об одной виртуальной странице: ее атрибуты и кадр, в котором она находится. Эти поля в точности соответствуют полям в таблице страниц.

Так как ассоциативная память содержит только некоторые из записей таблицы страниц, каждая запись в TLB должна включать поле с номером виртуальной страницы. Память называется ассоциативной, потому что в ней происходит одновременное сравнение номера отображаемой виртуальной страницы с соответствующим полем во всех строках этой небольшой таблицы. Поэтому данный вид памяти достаточно дорого стоит. В строке, поле виртуальной страницы которой совпало с искомым значением, находится номер страничного кадра. Обычное число записей в TLB от 8 до 4096. Рост количества записей в ассоциативной памяти должен осуществляться с учетом таких факторов, как размер кэша основной памяти и количества обращений к памяти при выполнении одной команды.

Рассмотрим функционирование менеджера памяти при наличии ассоциативной памяти.

Вначале информация об отображении виртуальной страницы в физическую отыскивается в ассоциативной памяти. Если нужная запись найдена - все нормально, за исключением случаев нарушения привилегий, когда запрос на обращение к памяти отклоняется.

Если нужная запись в ассоциативной памяти отсутствует, отображение осуществляется через таблицу страниц. Происходит замена одной из записей в ассоциативной памяти найденной записью из таблицы страниц. Здесь мы сталкиваемся с традиционной для любого кэша проблемой замещения (а именно - какую из записей в кэше необходимо изменить). Конструкция ассоциативной памяти должна организовывать записи таким образом, чтобы можно было принять решение о том, какая из старых записей должна быть удалена при внесении новых.

Число удачных поисков номера страницы в ассоциативной памяти по отношению к общему числу поисков называется hit (совпадение) ratio (пропорция, отношение). Иногда также используется термин «процент попаданий в кэш». Таким образом, hit ratio - часть ссылок, которая может быть сделана с использованием ассоциативной памяти. Обращение к одним и тем же страницам повышает hit ratio. Чем больше hit ratio, тем меньше среднее время доступа к данным, находящимся в оперативной памяти.

Предположим, например, что для определения адреса в случае кэш-промаха через таблицу страниц необходимо 100 не, а для определения адреса в случае кэш-попадания через ассоциативную память - 20 не. С 90% hit ratio среднее время определения адреса - 0,9x20 + 0,1x100 = 28 не.

Вполне приемлемая производительность современных ОС доказывает эффективность использования ассоциативной памяти. Высокое значение вероятности нахождения данных в ассоциативной памяти связано с наличием у данных объективных свойств: пространственной и временной локальности.

Необходимо обратить внимание на следующий факт. При переключении контекста процессов нужно добиться того, чтобы новый процесс «не видел» в ассоциативной памяти информацию, относящуюся к предыдущему процессу, например очищать ее. Таким образом, использование ассоциативной памяти увеличивает время переключения контекста.

Рассмотренная двухуровневая (ассоциативная память + таблица страниц) схема преобразования адреса является ярким примером иерархии памяти, основанной на использовании принципа локальности, о чем говорилось во введении к предыдущей лекции.

В ассоциативных опытах особенно следует подчеркнуть один момент, а именно то, что необходимым условием выявления достоверного ассоциативного процесса является полная пассивность субъекта, максимальная отключенность его воли и мышления от спонтанного протекания представлений. В противном случае вместо ассоциативного процесса получим активно детерминированный процесс. Это обстоятельство следует особо подчеркнуть по той причине, что настоящий ассоциативный процесс является, по сути, спонтанным процессом, протекающим вне активности человека; именно в этом качестве он представляет собой одну из ступеней развития памяти и одну из форм ее проявления. В случае ассоциативной памяти мы имеем дело со спонтанной памятью, спонтанным мнемическим процессом, не имеющим ничего общего с произвольной памятью. В этом смысле ассоциативная память, разумеется, более близка к вышеописанным примитивным формам проявления памяти, нежели специфически человеческим ее формам.

Спонтанность равно характеризует ассоциативную память как в момент запоминания, то есть фиксации или ретенции, так и воспоминания, то есть репродукции.

Субъект всегда находится под влиянием многообразных впечатлений, причем зачастую эти впечатления возникают или исчезают независимо от его намерения. Однако обычно бесследно они все-таки не исчезают. Правда, в психике в качестве сознательных переживаний эти впечатления долго не остаются, но в самом субъекте вызывают определенные личностные изменения. И вот, на основе этих изменений, при возникновении надлежащих условий, когда, например, одно из этих впечатлений вновь начинает действовать на субъекта, этот последний реагирует в соответствии с происшедшими в нем изменениями, то есть в его сознании вновь возникают переживания, соответствующие этому изменению. Так происходит репродукция представлений, переживаемая субъектом в качестве продукта воздействия спонтанных впечатлений. Как видим, репродукция этих последних также происходит вне активного, намеренного вмешательства субъекта.

В пользу того, что ассоциативную память следует четко разграничить от произвольной памяти, свидетельствует и то обстоятельство, что репродукция ассоциативных представлений всегда возникает лишь под воздействием какого-либо второго переживания - перцептивного представления. Для возникновения ассоциативного представления необходимо раздражающее представление или восприятие. Указанное обстоятельство достаточно хорошо характеризует ассоциативную память как все еще низкую, зависимую форму действия памяти. В данном смысле она довольно близка к узнаванию.

Протекание узнавания, как мы уже знаем, происходит следующим образом: восприятие N. всегда сопровождается чувством знакомости. Я узнал N., я его видел. Однако если к этому добавится еще какое-то представление, например, я видел N. там-то и там-то (образ места) или он был в такой-то шапке (образ шапки), то тогда мы имеем дело уже с ассоциативной памятью, то есть восприятие N. вызывает репродукцию представлений. В данном смысле различие между узнаванием и ассоциативной памятью состоит лишь в том, что в случае узнавания прошлое оживает в самом восприятии, не выходя за его пределы, тогда как в ассоциативной памяти это прошлое дается не в виде какого-либо прежнего восприятия, а появляется его образ, который дан повторно, но уже в виде представления. Ниже мы убедимся, что на более высокой ступени развития для репродукции представлений памяти раздражитель нужен далеко не всегда. Существует не только непроизвольное запоминание, но и произвольное припоминание.