ลำดับชั้นของหน่วยความจำในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์

ในการออกแบบระบบคอมพิวเตอร์ โปรเซสเซอร์ รวมถึงอุปกรณ์หน่วยความจำจำนวนมากถูกนำมาใช้ อย่างไรก็ตามปัญหาหลักคือชิ้นส่วนเหล่านี้มีราคาแพง ดังนั้น องค์กรหน่วยความจำ ของระบบสามารถทำได้ตามลำดับชั้นของหน่วยความจำ มีหน่วยความจำหลายระดับพร้อมอัตราประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน แต่สิ่งเหล่านี้สามารถให้จุดประสงค์ที่แน่นอนเช่นเวลาในการเข้าถึงอาจลดลง ลำดับชั้นของหน่วยความจำได้รับการพัฒนาขึ้นอยู่กับลักษณะการทำงานของโปรแกรม บทความนี้กล่าวถึงภาพรวมของลำดับชั้นของหน่วยความจำในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์

ลำดับชั้นของหน่วยความจำคืออะไร?

หน่วยความจำในคอมพิวเตอร์สามารถแบ่งออกเป็นห้าลำดับชั้นตามความเร็วและการใช้งาน โปรเซสเซอร์สามารถย้ายจากระดับหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่งตามข้อกำหนด ลำดับชั้นทั้งห้าในหน่วยความจำ ได้แก่ รีจิสเตอร์แคชหน่วยความจำหลักแผ่นแม่เหล็กและเทปแม่เหล็ก ลำดับชั้นสามลำดับแรกคือความทรงจำที่ไม่เปลี่ยนแปลงซึ่งหมายถึงเมื่อไม่มีพลังงานจากนั้นก็จะสูญเสียข้อมูลที่จัดเก็บไว้โดยอัตโนมัติ ในขณะที่ลำดับชั้นสองลำดับสุดท้ายจะไม่ผันผวนซึ่งหมายความว่าจะจัดเก็บข้อมูลอย่างถาวร

องค์ประกอบหน่วยความจำคือชุดของ อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล ซึ่งเก็บข้อมูลไบนารีในประเภทของบิต โดยทั่วไปแล้ว การจัดเก็บหน่วยความจำ สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทเช่นระเหยและไม่ระเหย

ลำดับชั้นของหน่วยความจำในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์

การออกแบบลำดับชั้นของหน่วยความจำ ในระบบคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่แตกต่างกัน คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นด้วยพื้นที่จัดเก็บเพิ่มเติมเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเกินความจุของหน่วยความจำหลัก ดังต่อไปนี้ แผนภาพลำดับชั้นของหน่วยความจำ เป็นพีระมิดแบบลำดับชั้นสำหรับหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ การออกแบบลำดับชั้นของหน่วยความจำแบ่งออกเป็นสองประเภทเช่นหน่วยความจำหลัก (ภายใน) และหน่วยความจำรอง (ภายนอก)

ลำดับชั้นของหน่วยความจำ

หน่วยความจำหลัก

หน่วยความจำหลักเรียกอีกอย่างว่าหน่วยความจำภายในและสามารถเข้าถึงได้โดยโปรเซสเซอร์โดยตรง หน่วยความจำนี้รวมถึงการลงทะเบียนหลักแคชและซีพียู

หน่วยความจำรอง

หน่วยความจำรองเรียกอีกอย่างว่าหน่วยความจำภายนอกและสามารถเข้าถึงได้โดยโปรเซสเซอร์ผ่านโมดูลอินพุต / เอาต์พุต หน่วยความจำนี้ประกอบด้วยออปติคัลดิสก์ดิสก์แม่เหล็กและเทปแม่เหล็ก

ลักษณะของลำดับชั้นของหน่วยความจำ

ลักษณะลำดับชั้นของหน่วยความจำส่วนใหญ่มีดังต่อไปนี้

ประสิทธิภาพ

ก่อนหน้านี้การออกแบบระบบคอมพิวเตอร์ทำได้โดยไม่มีลำดับชั้นของหน่วยความจำและช่องว่างของความเร็วระหว่างหน่วยความจำหลักรวมทั้งการลงทะเบียน CPU เพิ่มขึ้นเนื่องจากความเหลื่อมล้ำของเวลาในการเข้าถึงซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพของระบบลดลง ดังนั้นการปรับปรุงจึงเป็นสิ่งจำเป็น การปรับปรุงนี้ได้รับการออกแบบในโมเดลลำดับชั้นของหน่วยความจำเนื่องจากประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้น

ความสามารถ

ความสามารถของลำดับชั้นของหน่วยความจำคือจำนวนข้อมูลทั้งหมดที่หน่วยความจำสามารถจัดเก็บได้ เพราะเมื่อใดก็ตามที่เราเลื่อนจากบนลงล่างภายในลำดับชั้นของหน่วยความจำความจุก็จะเพิ่มขึ้น

เวลาเข้าถึง

เวลาเข้าถึงในลำดับชั้นของหน่วยความจำคือช่วงเวลาระหว่างความพร้อมใช้งานของข้อมูลตลอดจนคำขออ่านหรือเขียน เพราะเมื่อใดก็ตามที่เราเลื่อนจากบนลงล่างภายในลำดับชั้นของหน่วยความจำเวลาในการเข้าถึงก็จะเพิ่มขึ้น

ต้นทุนต่อบิต

เมื่อเราเปลี่ยนจากล่างขึ้นบนภายในลำดับชั้นของหน่วยความจำค่าใช้จ่ายสำหรับแต่ละบิตจะเพิ่มขึ้นซึ่งหมายความว่าหน่วยความจำภายในมีราคาแพงเมื่อเทียบกับหน่วยความจำภายนอก

การออกแบบลำดับชั้นของหน่วยความจำ

ลำดับชั้นของหน่วยความจำในคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสิ่งต่อไปนี้

รีจิสเตอร์

โดยปกติรีจิสเตอร์เป็นแรมแบบคงที่หรือ SRAM ในโปรเซสเซอร์ของคอมพิวเตอร์ซึ่งใช้สำหรับเก็บคำข้อมูลซึ่งโดยทั่วไปจะเป็น 64 หรือ 128 บิต ตัวนับโปรแกรม การลงทะเบียนเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด เช่นเดียวกับที่พบในโปรเซสเซอร์ทั้งหมด โปรเซสเซอร์ส่วนใหญ่ใช้การลงทะเบียนคำสถานะเช่นเดียวกับตัวสะสม การลงทะเบียนคำสถานะใช้สำหรับการตัดสินใจและตัวสะสมใช้ในการจัดเก็บข้อมูลเช่นการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ โดยปกติคอมพิวเตอร์จะชอบ คอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งที่ซับซ้อน มีการลงทะเบียนจำนวนมากสำหรับการยอมรับหน่วยความจำหลักและ RISC- ลดชุดคำสั่ง คอมพิวเตอร์มีการลงทะเบียนมากขึ้น

ข้อมูลที่ถูกเก็บไว้

นอกจากนี้ยังสามารถพบหน่วยความจำแคชได้ในโปรเซสเซอร์ แต่ก็แทบจะไม่พบอีก IC (วงจรรวม) ซึ่งแยกออกเป็นระดับ แคชเก็บข้อมูลส่วนใหญ่ที่มักใช้จากหน่วยความจำหลัก เมื่อโปรเซสเซอร์มีคอร์เดียวก็จะมีระดับแคชเพิ่มขึ้นสอง (หรือ) น้อยมาก โปรเซสเซอร์แบบมัลติคอร์ในปัจจุบันจะมีสามระดับ 2 ระดับสำหรับแต่ละคอร์และหนึ่งระดับจะใช้ร่วมกัน

หน่วยความจำหลัก

หน่วยความจำหลักในคอมพิวเตอร์ไม่มีอะไรนอกจากหน่วยความจำในซีพียูที่สื่อสารโดยตรง เป็นหน่วยเก็บข้อมูลหลักของคอมพิวเตอร์ หน่วยความจำนี้มีความรวดเร็วเช่นเดียวกับหน่วยความจำขนาดใหญ่ที่ใช้สำหรับจัดเก็บข้อมูลตลอดการทำงานของคอมพิวเตอร์ หน่วยความจำนี้ประกอบด้วย RAM เช่นเดียวกับ ROM

ดิสก์แม่เหล็ก

ดิสก์แม่เหล็กในคอมพิวเตอร์เป็นแผ่นวงกลมที่ประดิษฐ์จากพลาสติกอย่างอื่นโดยใช้วัสดุแม่เหล็ก บ่อยครั้งที่มีการใช้สองหน้าของดิสก์เช่นเดียวกับดิสก์จำนวนมากอาจซ้อนกันบนแกนเดียวโดยใช้หัวอ่านหรือเขียนที่มีอยู่ในทุกระนาบ ดิสก์ทั้งหมดในคอมพิวเตอร์พร้อมกันด้วยความเร็วสูง แทร็กในคอมพิวเตอร์ไม่มีอะไรนอกจากบิตที่เก็บไว้ในระนาบแม่เหล็กในจุดที่อยู่ถัดจากวงกลมศูนย์กลาง โดยปกติจะแยกออกเป็นส่วนต่างๆ

เทปแม่เหล็ก

เทปนี้เป็นการบันทึกแม่เหล็กแบบปกติซึ่งออกแบบให้มีแผ่นปิดแม่เหล็กแบบเรียวยาวบนฟิล์มพลาสติกที่ขยายออกของแถบบาง ๆ ส่วนใหญ่จะใช้ในการสำรองข้อมูลขนาดใหญ่ เมื่อใดก็ตามที่คอมพิวเตอร์ต้องการเข้าถึงแถบก่อนอื่นคอมพิวเตอร์จะเชื่อมต่อเพื่อเข้าถึงข้อมูล เมื่อได้รับอนุญาตข้อมูลจะถูกยกเลิกการต่อเชื่อม เวลาในการเข้าถึงหน่วยความจำจะช้าลงภายในแถบแม่เหล็กและจะใช้เวลาสองสามนาทีในการเข้าถึงแถบ

ข้อดีของลำดับชั้นของหน่วยความจำ

ความต้องการลำดับชั้นของหน่วยความจำมีดังต่อไปนี้

• การกระจายหน่วยความจำทำได้ง่ายและประหยัด
• กำจัดการทำลายจากภายนอก
• ข้อมูลสามารถกระจายไปทั่ว
• อนุญาตการเพจความต้องการและการเพจล่วงหน้า
• การแลกเปลี่ยนจะมีความเชี่ยวชาญมากขึ้น

ดังนั้นทั้งหมดนี้เป็นข้อมูลเกี่ยวกับ ลำดับชั้นของหน่วยความจำ . จากข้อมูลข้างต้นในที่สุดเราสามารถสรุปได้ว่าส่วนใหญ่ใช้เพื่อลดต้นทุนบิตความถี่ในการเข้าถึงและเพื่อเพิ่มความจุเวลาในการเข้าถึง ดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับผู้ออกแบบว่าต้องการลักษณะเหล่านี้มากน้อยเพียงใดเพื่อตอบสนองความจำเป็นของผู้บริโภค นี่คือคำถามสำหรับคุณ ลำดับชั้นของหน่วยความจำใน OS เหรอ?