خصائص نظم الذاكرة - مرجع

# خصائص نظم الذاكرة ## 7.1.1 خصائص نظم الذاكرة يمكن تسهيل موضوع ذاكرة الحاسب المعقد إذا أمكن لنا أن نصنف أنظمة الذاكرة وفقا لخصائصها الرئيسية وهى كالتالي : * الموقع : الموقع يشير إلى ما إذا كانت الذاكرة هي داخل أو خارج الحاسب . > عادة ما تتساوى الذاكرة الداخلية مع الذاكرة الرئيسية ولكن هناك أ...

# خصائص نظم الذاكرة ## 7.1.1 خصائص نظم الذاكرة يمكن تسهيل موضوع ذاكرة الحاسب المعقد إذا أمكن لنا أن نصنف أنظمة الذاكرة وفقا لخصائصها الرئيسية وهى كالتالي : * الموقع : الموقع يشير إلى ما إذا كانت الذاكرة هي داخل أو خارج الحاسب . > عادة ما تتساوى الذاكرة الداخلية مع الذاكرة الرئيسية ولكن هناك أشكال أخرى من الذاكرة الداخلية فالمعالج يتطلب ذاكرة محلية خاصة على شكل مسجلات ، وذاكرة التخزين السريع هى شكل آخر من أشكال الذاكرة الداخلية . الذاكرة الخارجية تتكون من أجهزة التخزين الطرفية مثل القرص ، والشريط، وهي في متناول المعالج عن طريق أجهزة تحكم الإدخال الإخراج . * السعة : سعة الذاكرة الداخلية عادة ما يتم التعبير عنها بعدد الخانات (8) خانات ثنائية - ثمان - بايت = 8 بت) أو الكلمات . والطول الشائع للكلمة هو 8 او 16 او 32 خانة ، كذلك يتم أيضا التعبير عن سعة الذاكرة الخارجية بعدد الثمان = * وحدة النقل : بالنسبة للذاكرة الرئيسية هي عدد الخانات التي تُقرأ من أو تُ كتب في الذاكرة في كل مرة (بالتوازى) ، فوحدة النقل لا تساوى بالضرورة كلمة واحدة . وأما بالنسبة للذاكرة الخارجية فغالباً ما يتم نقل البيانات في وحدات أكبر بكثير من كلمة واحدة وتتم الإشارة إليها على أنها قوالب . * طريقة التواصل : للوصول إلى وحدة معينة من البيانات في الذاكرة هناك عدة أساليب وتشمل التالي : * الوصول المتسلسل : يتم تنظيم الذاكرة فى وحدات من البيانات تدعى سجلات، والوصل اليها يتم في تسلسل خطي محدد، فالمعلومات المحفوظة عن موقع السجل تستخدم كعازل بين السجلات . وفي هذه الطريقة تستخدم آلية واحدة (رأس) (خاص) للقراءة والكتابة، ويتم الانتقال من الموضع الحالي الى المطلوب فى تسلسل خطى وبالمرور على جميع السجلات التي بين السجل الحالي والمطلوب (تتبع)، ولاحظ هنا أن زمن الوصول لسجل عشوائى متغير بشدة، وهذه الطريقة تستخدم في وحدة الأشرطة المغناطيسية . * الوصول المباشر : كما هو الحال مع الوصول المتسلسل، فالوصول المباشر ينطوي على آلية واحدة للقراءة والكتابة . وفي هذه الطريقة كل قالب أو سجل له عنوان فريد بناءاً على موقعه في الذاكرة ، ويتم الوصول أليه مباشرة عن طريق بحث متتابع أو العد أو الأنتظار حتى الوصول إلى الموقع النهائي بدون المرور على السجلات البينية ولكن بأستخدام عنوان السجل . وفى هذه الطريقة زمن الوصول لسجل عشوائى متغير، ويتم إستخدامها في وحدة الأقراص * الوصول العشوائي : لكل موقع في الذاكرة عنوان فريد حسب آلية العنونة . وزمن الوصول إلى موقع معين في الذاكرة لا يعتمد على الوصول لموقع سابق وثابت وبالتالي يمكن أختيار أي موقع عشوائيا والوصول إليه مباشرة، والبيانات المخزنة في الذاكرة الرئيسية والسريعة الوصول إليها عشوائی * الترابطي : هذا نوع من ذاكرة الوصول العشوائي التي تُمكن من إجراء مقارنة لخانات الموقع المطلوب مع خانات معينة بغرض التوافق من عدمة وبالتالي يتم إسترداد والوصول للكلمة على أساس جزء من محتوياتها بدلاً من عنوانها ، وبعض أنواع الذاكرة السريعة التواصل مع محتواها يتم بهذه الطريقة . * الأداء : تستخدم ثلاثة معايير لقياس الأداء : * زمن الوصول (التأخير) : بالنسبة لذاكرة الوصول العشوائي هو الزمن الذي يُستغرق لإجراء عملية القراءة أو الكتابة، ويتضمن ذلك الزمن المستغرق من لحظة تقديم العنوان إلى الذاكرة إلى لحظة تخزين البيانات أو إتاحتها للإستخدام . أما بالنسبة لذاكرة الوصول غير العشوائي ، فزمن الوصول هو الزمن الذي يُستغرق لوضع آلية القراءة الكتابة في الموقع المطلوب . * زمن دورة الذاكرة : يتكون من زمن الوصول بالإضافة الى أى زمن مطلوب قبل بداية الوصول التالي . * معدل النقل : هو المعدل الممكن لنقل البيانات من أو إلى وحدة الذاكرة . وبالنسبة لذاكرة الوصول العشوائي هو يساوي 1/(زمن دورة الذاكرة). * النوع المادي : لقد أستخدمت مجموعة متنوعة من الأنواع المادية في تصميم الذاكرة . والأكثر شيوعا اليوم هي الذاكرة الشبه موصلة (الألكترونية) والمغناطيسية التي تستخدم فى الاقراص والأشرطة ، والذاكرة الضوئية . * الخصائص الفيزيائية : الخصائص الفيزيائية المستخدمة في تخزين البيانات مهمة . ففي الذاكرة المتطايرة المعلومات تضمحل بشكل طبيعي أو يتم فقدانها عندما تفقد الذاكرة الطاقة الكهربائية . وفي الذاكرة الغير متطايرة (المستقرة) المعلومات المسجلة لا تُفقد او تضمحل حتى يتم تغييرها بشكل متعمد ولا تحتاج إلى الطاقة الكهربائية للحفاظ على المعلومات . الذاكرة المغناطيسية غير متطايرة ، أما ذاكرة أشباه الموصلات (الألكترونية) فقد تكون متطايرة أو غير متطايرة . * التنظيم : في ذاكرة الوصول العشوائي التنظيم هو قضية تصميمية والمقصود بالتظيم هنا كيفية الترتيب الفعلي للخانات لتشكل كلمات ترتيب شرائح الذاكرة للحصول على كلمة ## 7.1.2 التسلسل الهرمي للذاكرة يمكن تلخيص المعوقات في تصميم ذاكرة الحاسب في ثلاثة أسئلة : كم السعة ؟ ، كم السرعة ؟ ، كم التكلفة ؟ مسألة السعة هي الى حد ما مفتوحة ، فكلما زادت السعة تطورت التطبيقات البرمجية لكى تستغلها . أما السرعة فهى قضية مباشرة ولتحقيق أكبر قدر من الأداء يجب أن تكون الذاكرة قادرة على مواكبة سرعة المعالج بمعنى كلما كان المعالج ينفذ التعليمات لا نريد أن يكون لديه وقفة أنتظار للحصول على تعليمات أو معاملات . واخيراً، السؤال الأخير ينبغي النظر فيه، وللحصول على نظام عملي يجب أن تكون تكلفة الذاكرة معقولة بالنسبة للمكونات الأخرى . وكما كان متوقعاً، فهناك مفاضلة بين الخصائص الرئيسية الثلاث للذاكرة وهى : السعة وزمن الوصول (السرعة) والتكلفة وتستخدم تقنيات متنوعة لتصميم و إنجاز نظم الذاكرة، ومن خلال هذا الطيف من التقنيات تبرز العلاقات التالية : * أسرع زمن وصول ، أكثر تكلفة لكل خانة * أكثر سعة ، أقل تكلفة لكل خانة * أكثر سعة ، أبطأ زمن وصول ## 7.2 مبادئ الذاكرة السريعة (Cache) مبدأ الذاكرة السريعة يطمح لإعطاء سرعة للذاكرة تقترب من أسرع ذاكرة متوفرة، وفي الوقت نفسه توفير حجم كبير للذاكرة بتكلفة أقل نوع من أنواع الذاكرة الألكترونية . ويتجلى هذا المفهوم في الشكل (7.3 - أ) ، فهناك ذاكرة كبيرة نسبياً وبطيئة جنبا إلى جنب مع ذاكرة سريعة أصغر وأسرع، في هذه التنظيم، الذاكرة السريعة تتصل بالمعالج عن طريق خطوط البيانات والت تحكم و العنوان . خطوط البيانات مرتبطة بمخزن مؤقت للبيانات و خطوط العنوان مرتبطة بمخزن مؤقت للعنوان ، المخزنين مرتبطين بناقل النظام الذي يتصل بالذاكرة الرئيسية . عند القراءة من الذاكرة السريعة يُعطل المخزن مؤقت للبيانات والمخزن مؤقت للعنوان (الشكل - 7.6) و يتم الأتصال فقط بين المعالج ## 7.3 عناصر تصميم الذاكرة السريعة هذا القسم يقدم لمحة عامة عن معايير تصميم الذاكرة السريعة وتقرير بعض النتائج النموذجية، ويضم ما يلي : * العنونة ، ظاهرية إفتراضية أو مادية * الحجم * طريقة المطابقة : مباشرة أو ترابطية * خوارزميات الأستبدال : * أقل أستخدام مؤخراً (LRU) * الأول دخول أول خروج (FIFO) * الأقل تكرار إستخداماً (LFU) * عشوائياً * سياسة الكتابة : * الكتابة الذاتية * إعادة الكتابة * حجم الكتلة * مستويات الذاكرة السريعة : مستوى واحد أو أثنين ، و موحدة أم منفصلة ## 7.3.1 عنونة الذاكرة السريعة أغلب المعالجات المعاصرة تدعم أستخدام الذاكرة الظاهرية الأفتراضية ، فالذاكرة الافتراضية خاصية تسمح للبرامج بالعنونة للذاكرة من ناحية أفتراضية بدون الأخذ في الاعتبار الحجم المادى المتوفر من الذاكرة الرئيسية ، وعند أستخدام العنوان في الذاكرة الأفتراضية ، فإن حقول العناوين الموجودة في ## 7.3.2 حجم الذاكرة السريعة نود أن يكون حجم الذاكرة السريعة صغيراً بما فيه الكفاية بحيث يكون متوسط التكلفة الإجمالية للخانة بالذاكرة الداخلية بالكامل هو قريب منه في الذاكرة الرئيسية فقط (تكلفة الذاكرة السريعة ضئيلة جدا مقارنة مع الرئيسية) ، وفى نفس الوقت نريد أن يكون حجمها كبيراً بما فيه الكفاية بحيث يكون أجمالى متوسط زمن الوصول قريبا من الذاكرة السريعة لوحدها كبر حجم الذاكرة السريعة يقلل من التواصل مع الذاكرة الرئيسية - البيانات المطلوبة من المعالج متوفرة في الذاكرة السريعة - مما يزيد من سرعة الذاكرة عامةً ، وهناك دوافع أخرى ## 7.4.3 خوارزميات الأستبدال عند تعبئة الذاكرة السريعة وجلب قالب جديد، فلابد من إستبدال أحد السطور الموجودة . وفى المطابقة المباشرة هناك سطر محدد لكل قالب معين ، وليس هناك أي خيار آخر فى الأستبدال . ولكن فى المطابقة الترابطية هناك حاجة لخوارزمية للأستبدال ، وهناك عدد من الخوارزميات وسنذكر منها الأكثر شيوعا . * الأقل أستخدماً مؤخراً (LRU) : يستعاض عن ذلك القالب في المجموعة التي في الذاكرة السريعة أطول مدة مع عدم الإشارة إليها (عدم التواصل مع محتوياتها). والاحتمال الآخر هو الأول دخول أول خروج (FIFO) : ويستعاض عن ذلك القالب في المجموعة التي أمضت أطول مدة في الذاكرة السريعة (أول دخولاً) . وآخر إحتمال هو الأقل وتيرة استخدماً (LFU) : ويستعاض عن ذلك القالب في المجموعة التي شهدت أقل عدد مرات من القراءة ## 7.4.4 سياسة الكتابة عندما يكون قالب من الذاكرة الرئيسية موجوداً في الذاكرة السريعة ووجب إستبداله هناك حالتين يجب أخذهما فى الاعتبار ، فإذا كان القالب قديماً ولم يتم تعديله يمكن كتابة قالب جديد عليه من دون الحاجة لإعادة كتابته أولاً في الذاكرة الرئيسية ، أما إذا تم تعديل ولو كلمة واحدة من ذلك السطر في الذاكرة السريعة يجب أن يتم تحديث الذاكرة الرئيسية من خلال كتابة ذلك السطر من الذاكرة السريعة إلى قالبه في الذاكرة قبل أن يكتب قالب جديد . وهناك مجموعة متنوعة من سياسات الكتابة ، ويطلق على أبسطها تقنية "الكتابة الذاتية" ، وبأستخدام هذه التقنية ، فإنه يتم إجراء كافة عمليات الكتابة إلى الذاكرة الرئيسية وكذلك إلى الذاكرة السريعة في نفس الوقت (بالتوازى) لضمان أن الذاكرة الرئيسية دائما صحيحة ويمكن لأي معالج أخر فى النظام مراقبة حركة المرور إلى الذاكرة الرئيسية للحفاظ على التناسق مع ذاكرته السريعة يعدل محتوى ذاكرته حسب التعديل الذى يطرأ على الذاكرة الرئيسية ، والعيب الرئيسي لهذا الأسلوب هو أنه ينتج عنه حركة مرور كبيرة . والتقنية البديلة تعرف باسم "إعادة الكتابة" للتقليل من الكتابة للذاكرة الرئيسية ، ففى هذه التقنية يتم إجراء التحديثات فقط في الذاكرة السريعة ومن ثم يعاد تحديث الذاكرة الرئيسية إذا تم تعديل نسختها في الذاكرة السريعة وذلك عن طريق فحص خانة علامة السطر في الذاكرة السريعة والتي تتغير إذا تم تعديل محتوى السطر ## 7.4.5 حجم القالب هناك عنصر آخر في التصميم هو حجم القالب السطر . ف عندما يتم إسترداد قالب من البيانات ووضعه في الذاكرة السريعة، ففي هذه الحالة يتم إسترداد الكلمة المطلوبة و بعض الكلمات الملاصقة لها، وكلما زاد حجم القالب إلى حجم أكبر يتم جلب مزيد من البيانات المفيدة الى الذاكرة السريعة ولكن إحتمال إستخدام البيانات التي تم إحضارها حديثا يصبح أقل من إحتمال إعادة إستخدام البيانات التي تم استبدالها. وعلى العموم هناك إعتباران يجب أخذهما في الاعتبار في هذه الحالة : * قالب أكبر يخفض من عدد القوالب التي يمكن أن تدرج في الذاكرة السريعة . * كلما كبر القالب أصبحت أي كلمة أضافية بعيدة عن الكلمة المطلوبة ## 7.4.6 مستويات الذاكرة السريعة مع بداية ظهور الذاكرة السريعة كان لها مستوى واحد ، ولكن مع تطور التقنية أصبح أستخدام ذاكرة سريعة بمستويات متعددة أمر طبيعي . ومع تعدد المستويات أصبح من الممكن أن يكون المستوى الأول ملاصق للمعالج على الشريحة نفسها (ذاكرة سريعة داخلية والمستوى الثانى على اللوحة (ذاكرة سريعة خارجية) هناك أستراتيجيتان في تصميم الذاكرة السريعة ، فهي موحدة أو منفصلة فالذاكرة الموحدة تحتوى على البيانات والتعليمات معاً بمعنى أنهما يشتركان في نفس الذاكرة السريعة ، أما المنفصلة فذاكرة سريعة للتعليمات وأخرى للبيانات. من مميزات الذاكرة السريعة الموحدة أن إحتمال وجود البيانات المطلوبة عالى مقارنة بالمنفصلة نتيجة لأنها توازن ما بين جلب التعليمات وجلب البيانات تلقائياً، وكذلك أقل تعقيداً فى تصميم نظام الذاكرة لأنه سيتم تصميم ذاكرة واحدة فقط للبيانات والتعليمات . وميزة الذاكرة السريعة المنفصلة أنها تحد من التزاحم مابين البيانات والتعليمات فى عملية الجلب وهذا مهم جدا فى تصميم المعالجات ذات المعالجة التواردية للتعليمات إذ جلب التعليمات منفصل عن جلب البيانات .