Архитектура фон Неймана

Процессор имеет набор регистров, каждый из которых является небольшой ячейкой памяти (8, 16, 32 или 64 бита). Эти ячейки используются процессором для ариф-метических операций, а также для выполнения других команд. Команды, оперируя регистрами, вы-полняются существенно быстрее, нежели в ситуации, когда данные берутся из долгосрочной памяти, поскольку регистры находятся непосредственно внутри процессора. Например, у процессора Intel 8080 было - 7 регистров, а у Intel Itanium - 256 регистров. Одним из факторов, который влияет на количество регистров процессора, является его цена и массовость производства.

Поскольку объем памяти, который содержится в регистрах, крайне незначителен, а про-блема оптимизации сообщения процессора и оперативной памяти в процессе исполнения программ чрезвычайно актуальна, используется ещё один вид памяти - кэш-память. Это особый вид быстрой памяти, которая находится в процессоре и предназначается для хранения данных, активно используемых процессором при выполнении одной или нескольких программ, поз-воляя существенно ускорить выполнение программ. В многоядерных процессорах эта память устро-ена иерархично - каждое ядро имеет свою кэш-память, и весь процессор также имеет свою соб-ственную кэш-память. Подробнее об этом будет рассказано в следующих лекциях.

Быстродействие памяти - это скорость выполнения операции чтения данных и записи данных, которую обеспечивают микросхемы, реализующие данную память.

Высокое быстродействие памяти (регистры, кэш-память, оперативная память) требует принципиально иных технологий аппаратной реализации, чем низкое быстродействие (жесткий диск). При этом быстрая память оказывается дороже (причём, в разных смыслах), чем медленная, поэтому она имеет существенно меньший объем. Объём памяти типичного офисного компьютера, который мы рассмотрим в следующих лекциях, составляет от 8 до 16 Gb оперативной памяти и от 500 до 2000 Gb - жесткий диск.

Наконец, скажем несколько слов о внешних устройствах памяти, которые широко использовались и используются для различных компьютеров. Речь идёт о дискетах, лазерных дисках и флэш-картах. Они являются внешними, переносными - их легко можно вставить в компьютер, что каждый из нас делал много раз. Наряду с Интернетом, они используются для передачи данных между разными компьютерами. Существует несколько поколений таких устройств. Пожалуй, первыми были гибкие диски или дискеты, используемые для персональных компьютеров IBM PC. Позже появились лазерные диски; правда, они не предназначались для активной передачи данных - записать что-либо на них можно было, в зависимости от их разновидности, однократно или ограниченное количество раз; они использовались, главным образом, для дистрибутивов программ, а также для фильмов и аудиозаписей. Наконец, флэш-память (так называемые флэшки) широко используются в настоящее время и позволяет переносить фильмы, фотографии и аудиозаписи, так и программы, а также различные документы и другие виды данных. Флэш-память удобна, поскольку не везде имеется Интернет, а иногда бывает, что его скорость недостаточна. Также не все пользователи используют внешние хранилища наподобие Яндекс-диск или Google-Drive, например, по соображениям безопасности. Флэш-память изготовляется на основе специальных транзисторов, которые запоминают своё состояние (открытое или закрытое) при выключении питания.

Память для настроек компьютера используется для хранения основных параметров, используемых при его запуске. В персональных компьютерах такая память имеет объём в пределах нескольких килобайт и хранит настройки жёстких дисков, состояние адаптера WiFi, настройки загрузки операционной системы с жёсткого диска или по локальной сети и т.д. Отдельный вид памяти для настроек нужен, поскольку столь базовые настройки не могут быть прочитаны с жёсткого диска: ведь часть из них используется при его инициализации. А в некоторых комплектациях компьютеров, загружающихся по локальной сети, жёсткого диска может и вовсе не быть.

Подводя итог, заметим, что наличие разных видов памяти в ЭВМ позволяет находить гиб-кий компромисс между размерами (ёмкостью), быстродействием, ценой и надежностью запоминаю-щих устройств, поскольку для разных задач требуется различные значения этих характеристик!

Также следует отметить, что технологии производства разных видов памяти существенно различаются.

• Оперативная память на самом нижнем уровне хранит биты данных в виде электрических зарядов конденсаторов.
• Твердотельные диски реализуются на основе флэш-памяти, состоящей из специального вида транзисторов, запоминающих своё состояние.
• Кэш-память и регистры хранят данные с помощью специальных электронных схем - триггеров.
• Механические жёсткие диски используют магнитную память.
• Память для настроек может изготавливаться с применением технологии CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), которая основана на триггерах и требует посто-янного электропитания; она может работать несколько лет от часовой батарейки. Триггер является простейшей электронной схемой, которая имеет два устойчивых состояния: высокий или низкий электрический потенциал.

О разных видах памяти мы более подробно расскажем в следующих лекциях.

Наконец, отметим, что рассматриваемый в данном разделе принцип иерархичности запо-минающих устройств, как и предыдущие принципы архитектуры фон Неймана, на заре компьютер-ной эпохи был совершенно неочевидным.