Ассоциативная память. Развитие ассоциативной памяти. Адресная, ассоциативная и стековая организации памяти Ассоциативная память

Нашей памяти присуща ассоциативность. Это выражается в том, что отдельное воспоминание может вызвать в памяти другое, другое – третье, и т.д., заставляя или позволяя мыслям по цепочке мысленных ассоциаций двигаться от одного к другому. Ассоциативная память представляет собой связь между обстоятельствами и представлениями отдельного человека. Ассоциации – своего рода незримые крючки, извлекающие из глубин накопленного в памяти опыта, обстоятельств, представлений пережитые моменты (то, что было) и связывающие с тем, что нужно запомнить.

Ассоциативная теория памяти

В психологии существует несколько направлений, связанных с памятью. Основные среди них – ассоциативная, бихевиористическая, когнитивная, деятельностная. Все они сходятся в том, что память – это процесс запоминания, сохранения и воспроизведения информации и её забывания и в том, что память – основа в процессе становления личности.

В то же время, исходя из своих принципов, каждая из теорий памяти по-своему объясняет суть и закономерности этого процесса.

Одна из таких теорий – ассоциативная теория памяти. Она исходит из представления, что ассоциация – не что иное как связь, имеющая место между психическими явлениями. Такие связи при запоминании устанавливаются между частями запоминаемого или воспроизводимого материала. Дело в том, что в процессе припоминания человек всегда ищет какие-то связи, установленные между тем материалом, который имеется и тем, который необходимо воспроизвести.

Были выявлены некоторые закономерности, на основе которых образуются ассоциации:

— По смежности. Она имеет место в том случае, если воспринимаемый образ ассоциируется с прошлыми пережитыми представлениями или с теми, которые были одновременно пережиты, связаны с данным образом, то есть на основе объединения с предыдущим материалом. Например, вспомнив свою школу, скорее всего, мы вспомним и классную руководительницу или школьного друга и связанные с ними эмоции, а вспомнив коллегу по работе, возможно, вспомним, что следующая суббота – рабочая, и нужно не забыть установить будильник на утро выходного дня.

— По схожести. Замечали, что, например, некоторые люди кого-то напоминают? Может, Вам случалось, взглянув на незнакомого человека, найти в нем некий «типаж» или обнаружить, что его черты (лицо, манера поведения, осанка и т.д.) Вам запомнятся, поскольку он похож на…? Например, неуклюжий, лохматый, с переваливающейся походкой – как медведь; маленькая, невзрачная, пугливая и беззащитная с виду – как воробушек; яркий, важный, с расправленными плечами и медленными важными движениями – как павлин.

— По контрасту. Нам очень легко ассоциировать «белое — чёрное», «добрый — злой», «толстый — тощий». Их тоже производит наша ассоциативная память и использует для закрепления образа. В этом случае воспринимаемые образы извлекают из сознания противоположные представления. Так, столкнувшись с раздражённой соседкой, Вы вспоминаете, какой спокойной кажется её сестра.

Недостаток ассоциативной теории памяти заключается в том, что она не объясняет такую важную характеристику как выборочность памяти (ведь ассоциативный материал не всегда хорошо запоминается). Кроме того, она не учитывает, что процессы памяти находятся в зависимости от организации запоминаемого материала.

Развитие ассоциативной памяти, как и ассоциативного мышления, очень важно: ассоциации помогают нам запоминать и вспоминать, генерировать идеи. Ассоциативная память позволяет запоминать не связанные друг с другом слова и сложные тексты, благодаря ей мы легче извлекаем из памяти нужную информацию и, чем обширнее сеть ассоциативных связей, тем лучше она запоминается и тем легче припоминается при необходимости. Наши суждения о том или ином вопросе, наши взгляды, вкусы, система ценностей основываются на ассоциативной памяти. С ней также связано наше мышление, восприятие мира и принятие решений.

Тренируется ассоциативная память путем связывания известной, уже усвоенной информации с новым материалом. Для развития ассоциативной памяти можно использовать, например, такое упражнение:

1. Подготовьте 2 листа бумаги и ручку. На 1 листе в столбик по вертикали впишите все натуральные числа от 1 до 100.

2. Выберите любые 10-15 из них, с которыми у Вас связаны стойкие ассоциации, и выпишите их в произвольном порядке на 2 лист. Например, 8 – снеговик, 17 – номер Вашей любимой маршрутки, 18 – возраст совершеннолетия в стране, в которой Вы живете (если это так), и т.д. После того, как закончите работу, подождите 5-7 минут, возьмите 1 листок с числами и запишите все события, которые запомнили, напротив соответствующего числа.

3. В следующий раз проделайте то же с другими, не задействованными прежде числами. Не форсируйте события, не слишком подгоняйте себя поначалу, постарайтесь максимально удачно подобрать такую ассоциацию, которая надежно займёт свое место в списке.

4. Когда весь список чисел будет заполнен, проверьте себя, указав все ассоциации, связанные с числами от 1 до 100.

Помимо того, что потренировали память, Вы создали дополнительные ассоциации, которые помогут при необходимости запоминать коды, номера телефонов и т.д. Просто постарайтесь использовать свои личные ассоциации, не боясь привлекать образы. Например, 40 можно запомнить, представив 4 как квадрат, «телевизор» и 0 как вписанный в него круг, «колобок». Получится смешная ассоциация «колобок в телевизоре». Придумайте свои ассоциации, приемлемые именно для Вас.

Говоря о развитии памяти, необходимо отметить, что она неразрывно связана с вниманием, ведь без сосредоточения внимания на объекте мы не переместим его даже в кратковременную память. Хорошая работа памяти предполагает высокую активность нейронов, слаженную работу когнитивных (познавательных) функций мозга. О развитии памяти и внимания больше можно прочитать .

Память и внимание, восприятие и мышление – функции мозга, которые подлежат тренировке и развитию. Благодаря регулярным упражнениям можно ощутимо улучшить свои способности, и лучше отдать предпочтение регулярным комплексным занятиям с постепенно нарастающей нагрузкой. Например, для этой цели удобно использовать занятия на .

Желаем Вам успехов в саморазвитии!

Фото: Laurelville — Camp & Retreat Center

Обычно в запоминающих устройствах доступ к информации требует указания адреса ячейки. Однако значительно удобнее искать информацию не по адресу, а опираясь на какой-нибудь характерный признак, содержащийся в самой информации. Такой принцип лежит в основе ЗУ, известного как ассоциативное запоминающее устройство (АЗУ). В литературе встречаются и иные названия подобного ЗУ: память, адресуемая по содержанию (content addressable memory); память, адресуемая по данным (data addressable memory); память с параллельным поиском (parallel search memory); каталоговая память (catalog memory); информационное ЗУ (information storage); тегированная память (tag memory).

Ассоциативное ЗУ – это устройство, способное хранить информацию, сравнивать ее с некоторым заданным образцом и указывать на их соответствие или несоответствие друг другу.

В отличие от обычной машинной памяти (памяти произвольного доступа или RAM), в которой пользователь задает адрес памяти и ОЗУ возвращает слово данных, хранящееся по этому адресу, АП разработана таким образом, чтобы пользователь задавал слово данных, и АП ищет его во всей памяти, чтобы выяснить, хранится ли оно где-нибудь в нем. Если слово данных найдено, АП возвращает список одного или более адресов хранения, где слово было найдено (и в некоторых архитектурах, также возвращает само слово данных, или другие связанные части данных). Таким образом, АП - аппаратная реализация того, что в терминах программирования назвали бы ассоциативным массивом.

Ассоциативный признак– признак, по которому производится поиск информации.

Признак поиска– кодовая комбинация, выступающая в роли образца для поиска.

Ассоциативный признак может быть частью искомой информации или дополнительно придаваться ей. В последнем случае его принято называть тегом или ярлыком.

Структура ассоциативного ЗУ

АЗУ включает в себя:

• запоминающий массив для хранения N m-разрядных слов, в каждом из которых несколько младших разрядов занимает служебная информация;
• регистр ассоциативного признака, куда помещается код искомой информации (признак поиска). Разрядность регистра k обычно меньше длины слова т ;
• схемы совпадения, используемые для параллельного сравнения каждого бита всех хранимых слов с соответствующим битом признака поиска и выработки сигналов совпадения;
• регистр совпадений, где каждой ячейке запоминающего массива соответствует один разряд, в который заносится единица, если все разряды соответствующей ячейки совпали с одноименными разрядами признака поиска;
• регистр маски, позволяющий запретить сравнение определенных битов;
• комбинационную схему, которая на основании анализа содержимого регистра совпадений формирует сигналы, характеризующие результаты поиска информации.

При обращении к АЗУ сначала в регистре маски обнуляются разряды, которые не должны учитываться при поиске информации. Все разряды регистра совпадений устанавливаются в единичное состояние. После этого в регистр ассоциативного признака заносится код искомой информации (признак поиска) и начинается ее поиск, в процессе которого схемы совпадения одновременно сравнивают первый бит всех ячеек запоминающего массива с первым битом признака поиска. Те схемы, которые зафиксировали несовпадение, формируют сигнал, переводящий соответствующий бит регистра совпадений в нулевое состояние. Так же происходит процесс поиска и для остальных незамаскированных битов признака поиска. В итоге единицы сохраняются лишь в тех разрядах регистра совпадений, которые соответствуют ячейкам, где находится искомая информация. Конфигурация единиц в регистре совпадений используется в качестве адресов, по которым производится считывание из запоминающего массива. Из-за того что результаты поиска могут оказаться неоднозначными, содержимое регистра совпадений подается на комбинационную схему, где формируются сигналы, извещающие о том, что искомая информация:

• а0 – не найдена;
• а1 – содержится в одной ячейке;
• а2 – содержится более чем в одной ячейке.

Формирование содержимого регистра совпадений и сигналов a0, a1, а2 носит название операции контроля ассоциации. Она является составной частью операций считывания и записи, хотя может иметь и самостоятельное значение.

При считывании сначала производится контроль ассоциации по аргументу поиска. Затем, при а0=1 считывание отменяется из-за отсутствия искомой информации, приa1=1 считывается слово, на которое указывает единица в регистре совпадений, а при а2=1 сбрасывается самая старшая единица в регистре совпадений и извлекается соответствующее ей слово. Повторяя эту операцию, можно последовательно считать все слова.

Запись в АП производится без указания конкретного адреса, в первую свободную ячейку. Для отыскания свободной ячейки выполняется операция считывания, в которой не замаскированы только служебные разряды, показывающие, как давно производилось обращение к данной ячейке, и свободной считается либо пустая ячейка, либо та, которая дольше всего не использовалась.

Главное преимущество ассоциативных ЗУ определяется тем, что время поиска информации зависит только от числа разрядов в признаке поиска и скорости опроса разрядов и не зависит от числа ячеек в запоминающем массиве.

Общность идеи ассоциативного поиска информации отнюдь не исключает разнообразия архитектур АЗУ. Конкретная архитектура определяется сочетанием четырех факторов:

1. вида поиска информации;
2. техники сравнения признаков;
3. способа считывания информации при множественных совпадениях;
4. способа записи информации.

В каждом конкретном применении АЗУ задача поиска информации может формулироваться по-разному.

Виды поиска информации :

• Простой (требуется полное совпадение всех разрядов признака поиска с одноименными разрядами слов, хранящихся в запоминающем массиве).
• Сложный:
• Поиск всех слов, больших или меньших заданного. Поиск слов в заданных пределах.
• Поиск максимума или минимума. Многократное выборка из АЗУ слова с максимальным или минимальным значением ассоциативного признака (с исключением его из дальнейшего поиска), по существу, представляет собой упорядоченную выборку информации. Упорядоченную выборку можно обеспечить и другим способом, если вести поиск слов, ассоциативный признак которых по отношению к признаку опроса является ближайшим большим или меньшим значением.

Очевидно, что реализация сложных методов поиска связана с соответствующими изменениями в архитектуре АЗУ, в частности с усложнением схемы ЗУ и введением в нее дополнительной логики.

Техника сравнения признаков:

При построении АЗУ выбирают из четырех вариантов организации опроса содержимого памяти. Варианты эти могут комбинироваться параллельно по группе разрядов и последовательно по группам. В плане времени поиска наиболее эффективным можно считать параллельный опрос как по словам, так и по разрядам, но не все виды запоминающих элементов допускают такую возможность.

Способ считывания информации при множественных совпадениях:

• С цепью очередности (с помощью достаточно сложного устройства, где фиксируются слова, образующие многозначный ответ. Цепь очередности позволяет производить считывание слов в порядке возрастания номера ячейки АЗУ независимо от величины ассоциативных признаков).
• Алгоритмически (в результате серии опросов).

Способ записи информации:

1. По адресу.
2. C сортировкой информации на входе АЗУ по величине ассоциативного признака (местоположение ячейки, куда будет помещено новое слово, зависит от соотношения ассоциативных признаков вновь записываемого слова и уже хранящихся в АЗУ слов).
3. По совпадению признаков.
4. С цепью очередности.

Из-за относительно высокой стоимости АЗУ редко используется как самостоятельный вид памяти.

Ассоциативная память

Ассоциативная память (АП) или Ассоциативное запоминающее устройство (АЗУ) является особым видом машинной памяти, используемой в приложениях очень быстрого поиска. Известна также как память, адресуемая по содержимому , ассоциативное запоминающее устройство , контентно-адресуемая память или ассоциативный массив , хотя последний термин чаще используется в программировании для обозначения структуры данных. (Hannum и др., 2004)

Аппаратный ассоциативный массив

В отличие от обычной машинной памяти (памяти произвольного доступа, или RAM), в которой пользователь задает адрес памяти и ОЗУ возвращает слово данных, хранящееся по этому адресу, АП разработана таким образом, чтобы пользователь задавал слово данных, и АП ищет его во всей памяти, чтобы выяснить, хранится ли оно где-нибудь в нем. Если слово данных найдено, АП возвращает список одного или более адресов хранения, где слово было найдено (и в некоторых архитектурах, также возвращает само слово данных, или другие связанные части данных). Таким образом, АП - аппаратная реализация того, что в терминах программирования назвали бы ассоциативным массивом.

Промышленные стандарты адресуемой содержанием памяти

Определение основного интерфейса для АП и других Сетевых Элементов Поиска (Network Search Elements, NSE) было специфицировано в Соглашении о возможности взаимодействий (Interoperability Agreement), названном Интерфейс предысторий(Look-Aside Interface) (LA-1 и LA-1B ) который был разработан Форумом Сетевой Обработки, который позже был объединен с Оптическим Межсетевым Форумом (Optical Internetworking Forum, OIF). Многочисленные устройства были произведены компаниями Integrated Device Technology, Cypress Semiconductor, IBM, Netlogic Micro Systems и другими по этим соглашениям LA. 11 декабря 2007, OIF издал соглашение об интерфейсе последовательной предыстории (Serial Lookaside, SLA ).

Реализация на полупроводниках

Из-за того, что АП разработана, чтобы искать во всей памяти одной операцией, это получается намного быстрее чем поиск в RAM фактически во всех приложениях поиска. Однако, есть и минус в большей стоимости АП. В отличие от чипа RAM, у которого хранилища простые, у каждого отдельного бита памяти в полностью параллельной АП должна быть собственная присоединенная схема сравнения, чтобы обнаружить совпадение между сохраненным битом и входным битом. К тому же, выходы сравнений от каждой ячейки в слове данных должны быть объединены, чтобы привести к полному результату сравнения слова данных. Дополнительная схема увеличивает физический размер чипа АП, что увеличивает стоимость производства. Дополнительная схема также увеличивает рассеиваемую мощность, так как все схемы сравнений активны на каждом такте. Как следствие, АП используется только в специализированных приложениях, где скорость поиска не может быть достигнута используя другие менее дорогостоящие методы.

Альтернативные реализации

Для того, чтобы достигнуть другого баланса между скоростью, размером памяти и стоимости, некоторое реализации эмулируют функции АП путем использования стандартного поиска по дереву или алгоритмов хеширования реализованных аппаратно, также используя для ускорения эффективной работы такие аппаратные трюки как репликация и конвейерная обработка. Эти проекты часто используются в маршрутизаторах.

Троичная Ассоциативная память

Двоичная АП - простейший тип ассоциативной памяти, который использует слова поиска данных, состоявшие полностью из единиц и нулей. В троичной АП добавляется третье значение для сравнения «X» или «не важно», для одного или более битов в сохраненном слове данных, добавляя таким образом большей гибкости поиску. Например, в троичной АП могло бы быть сохранено слово «10XX0», которое выдаст совдпадение на любое из четырех слов поиска «10000», «10010», «10100», или «10110». Добавление гибкости к поиску приходит за счет увеличения цены двоичной АП, поскольку внутренняя ячейка памяти должна теперь закодировать три возможных состояния вместо двух. Это дополнительное состояние обычно осуществляется добавлением бита маски «важности»(«важно»/«не важно») к каждой ячейке памяти.

Голографическая ассоциативная память обеспечивает математическую модель для интегрированного ассоциативного воспоминания бита «не важно», используя комплекснозначное представление.

Примеры приложений

Адресуемая содержанием память часто используется в компьютерных сетевых устройствах. Например, когда сетевой коммутатор (switch) получает фрейм данных на один из его портов, это обновляет внутреннюю таблицу с источником MAC-адреса фрейма и порта, на который он был получен. Потом он ищет MAC-адрес назначения в таблице, чтобы определить, на какой порт фрейм должен быть отправлен, и отсылает его на этот порт. Таблица MAC- адресов обычно реализована на двоичной АП, таким образом порт назначения может быть найден очень быстро, уменьшая время ожидания коммутатора.

Троичные АП часто используются в тех сетевых маршрутизаторах, в которых у каждого адреса есть две части: (1) адрес сети, который может измениться в размере в зависимости от конфигурации подсети, и (2) адрес хоста, который занимает оставшиеся биты. У каждой подсети есть маска сети, которая определяет, какие биты - адрес сети и какие биты - адрес хоста. Маршрутизация делается путем сверки с таблицей маршрутизации, которую поддерживает маршрутизатор (router). В ней содержатся все известные адреса сети назначения, связанная с ними маска сети и информация, необходимая пакетам, маршрутизируемым по этому назначению. Маршрутизатор, реализованный без АП, сравнивает адрес назначения пакета, который будет разбит, с каждым входом в таблице маршрутизации, выполняя при этом логическое И с маской сети и сравнивая результаты с адресом сети. Если они равны, соответствующая информация направления используется, чтобы отправить пакет. Использование троичной АП для таблицы маршрутизации делает процесс поиска очень эффективным. Адреса хранятся с использованием бита «не важно» в части адреса хоста, таким образом поиск адреса назначения в АП немедленно извлекает правильный вход в таблице маршрутизации; обе операции - применения маски и сравнения - выполняются аппаратно средствами АП.

Другие приложения АП включают

• Диспетчеры кэша центрального процессора и ассоциативные буфера трансляции (TLB)

Библиография

• Кохонен Т. Ассоциативные запоминающие устройства. М.: Мир, 1982. - 384 с.

На английском языке

• Anargyros Krikelis, Charles C. Weems (editors) (1997) Associative Processing and Processors , IEEE Computer Science Press. ISBN 0-8186-7661-2

• Hannum et al. (2004) System and method for resetting and initializing a fully associative array to a known state at power on or through machine specific state . U.S. Patent 6,823,434.

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Ассоциативная память" в других словарях:

В информатике безадресная память, в которой поиск информации производится по ее содержанию (ассоциативному признаку). См. также: Память компьютера Прикладное программное обеспечение Финансовый словарь Финам … Финансовый словарь

ассоциативная память - Память, в которой адресация определяется не местом расположения объекта, а его содержанием. Для нахождения адреса проводится анализ объекта и совпадение его названия (по определенным словам) с другими адресами. Использование ассоциативной памяти… … Справочник технического переводчика

ассоциативная память - ассоциативное запоминающее устройство; ассоциативная память Запоминающее устройство, в котором место обращения определяется содержанием хранящейся информации … Политехнический терминологический толковый словарь

ассоциативная память - asociatyvioji atmintis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. associative memory vok. assoziativer Speicher, m; Durchsuchspeicher, m rus. ассоциативная память, f pranc. mémoire associative, f … Automatikos terminų žodynas

АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ - См. память, ассоциативная … Толковый словарь по психологии

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей. Человеческая память ассоциативна, то есть некоторое воспоминание может порождать большую связанную с ним область. Один предмет напоминает нам … Википедия

В ассоциативных запоминающих устройствах поиск информации производится по ассоциативному признаку, записанному в каждую ячейку памяти.

В памяти этого типа поиск нужной информации производится не по адресу, а по содержанию самой информации (т.е. по ассоциативному признаку). При этом поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек памяти. Ассоциативный поиск позволяет существенно упростить и ускорить обработку данных. Это достигается за счет того, что в такой памяти операция чтения информации совмещена с выполнением ряда логических операций. Например, можно выполнять такие операции, как:

1) поиск максимального или минимального числа в ЗУ;

2) поиск слов, заключенных в определенные границы;

3) поиск слов, ближайших к ассоциативному признаку, как с большей, так и с меньшей стороны и т.д.

Простейшая ассоциативная память обычно выполняет единственную операцию по выборке слов, чей признак совпадает с ассоциативным признаком.

Запоминающий массив (ЗМ) содержит N ячеек, каждая ячейка n+1 разрядная. Для указания занятости ячейки используется служебный n-ый разряд. Если в n-ом разряде 0 – то ячейка свободна, если 1 – то занята.

По входной ШД в регистр ассоциативного признака RGП поступает n-разрядный признак, а в регистр маски RGМ – код маски поиска. При этом n-ый разряд регистра RGМ устанавливается в 0. Ассоциативный поиск производится лишь по тем разрядам признака, которым соответствует «1» в регистре маски, то есть по так называемым незамаскированным разрядам RGМ. Таким образом, задавая код маски М, можно произвольно выбирать те разряды признака, по которым ведется поиск.

Для слов из ЗМ, в которых все цифры совпали с незамаскированными разрядами RGП, комбинированная схема КС 1 устанавливает «1» в соответствующие разряды регистра совпадения RGC. Таким образом, если произошло совпадение цифры j-го слова с незамаскируемыми разрядами признака, то в j-ом разряде регистра RGC будет записана «1», в противном случае «0». Запись «1» в j-ом разряде RGC означает, что j-ое слово соответствует признаку, т.е. является тем словом, которое собственно и ищется в ЗМ.

В регистр маски записывается слово, разрешающее запрос по всем или только некоторым разрядам ассоциативного признака, применение маски позволяет сократить или расширить область поиска.

Поиск информации производится параллельно по всем ячейкам путем сравнения запроса с ассоциативным признаком каждой ячейки.

Результат поиска формирует специальная комбинационная схема, вырабатывающая сигналы, оповещающие об отсутствии слов, удовлетворяющих условиям поиска, о наличии только одного слова, о наличии нескольких слов, имеющих такой ассоциативный признак.

После формирования и обработки оповещающих сигналов схемой управления производится считывание необходимой информации.

При записи информации сначала находится свободная ячейка. Для этого выполняется операция ассоциативного поиска по признаку, имеющему во всех разрядах «0», а в регистре маски «0» записаны во всех разрядах, кроме младшего n-го разряда.

Таким образом, определяются те ячейки ЗМ, у которых в n-ом разряде записан «0», что означает незанятость ячейки. В свободную ячейку с наименьшим номером записывается слово из регистра информации RGI.

При использовании дополнительных комбинационных схем в ассоциативной памяти можно выполнять различные логические операции, определяя максимальное или минимальное число, количество слов, имеющих одинаковый ассоциативный признак и т.д. На рис.1 показана структура ассоциативной памяти. Ячейки памяти ассоциативного запоминающего устройства должны быть элементами статической памяти, в ассоциативной памяти обращение производится ко всем ячейкам одновременно и не должно прерываться циклами регенерации. Ассоциативная память наиболее быстродействующая, но очень дорогая, так как требует введения дополнительно схемы сравнения, позволяющей осуществить поиск, для каждой ячейки памяти. Поэтому такая память обычно не используется в чистом виде, а быстродействующие устройства памяти типа Кэш обычно выполняются как частично ассоциативные.

В микропроцессорах ассоциативная память (память с выборкой по содержанию) используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОЗУ за следующей командой или требуемым операндом, достаточно поместить в регистр ассоциативного признака необходимый адрес и, если искомая информация имеется в кэш памяти, то она сразу будет выдана. Обращение к оперативной памяти будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в кэш. За счет такого использования кэш сокращается число обращений к ОЗУ, а это позволяет экономить время, так как обращение к кэш требует приблизительно в 10 раз меньше времени, чем обращение к ОЗУ.

Стековая организация памяти

Если запись и чтение производится через один и тот же регистр, то такое устройство называется стековой памятью, работающей по принципу "первым вошел - последним вышел" (FILO-First Input, Last Output).

Стековая память также как и ассоциативная, является безадресной, она представляет собой совокупность ячеек, образующих одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Запись слов всегда производится в верхнюю нулевую ячейку. При этом все ранее записанные слова сдвигаются вниз на одну ячейку. Чтение производится в порядке обратном порядку записи.

Стековая память получила широкое распространение. Для ее реализации в ОЗУ посредством программ операционной системы выделяется часть памяти под стек. На практике часто стековую память организуют, используя обычную адресную память.

Рассмотрим организацию стековой памяти, как памяти, образованной из связанных между собой ячеек памяти, в которых информация при записи в стек нового слова смещается вниз (Рис.2). Обмен информацией осуществляется только через верхнюю ячейку памяти. При считывании слов из стека, слово может удаляться из стековой памяти или сдвигаться по кольцу, в зависимости от организации стека. Режим чтения – последним вошел, первым вышел - называют LIFO (Last In First Out).

Рис.2.Организация стековой памяти.

Аппаратная реализация такой памяти не всегда целесообразна и зачастую стековая память организуется в основной памяти компьютера программно, что позволяет изменять объем стека в зависимости от необходимости. При организации стека в основной памяти выделяется специальный адресный регистр – “указатель стека”. В указателе стека находится адрес последнего записанного в стек слова. При записи слова в стек адрес вершины стека автоматически уменьшается, при чтении - автоматически увеличивается. Стековая память используется обычно для сохранения состояния текущей программы при обработке прерывания. После выполнения прерывающей программы состояние всех регистров, существовавшие в момент прерывания программы восстанавливается в последовательности, обратной последовательности записи. Можно сохранять в стеке и данные программы, это удобно тем, что при обращении к стеку не требуется указывать в программе адреса ячейки памяти, извлечение информации из стека так же происходит без указания адреса.

Ассоциативная память

Таблица страниц

Организация таблицы страниц один из ключевых элементов механизмов страничного и сегментно-страничного преобразований. Рассмотрим структуру таблицы страниц более детально.

Итак, виртуальный адрес состоит из виртуального номера страницы (high-order bits) и смещения (low-order bits). Номер виртуальной страницы используется как индекс в таблице страниц для нахождения записи (entry) о виртуальной странице. Из этой записи в таблице страниц находится номер кадра (page frame number), затем прибавляется смещение и формируется физический адрес. Помимо этого запись в таблице страниц содержит информацию об атрибутах страницы, в частности биты защиты.

Основную проблему для эффективной реализации таблицы страниц создают большие размеры виртуальных адресных пространств современных компьютеров, которые обычно определяются разрядностью архитектуры процессора. Самыми распространенными на сегодняшний день являются 32-разрядные процессоры, позволяющие создавать виртуальные адресные пространства такого размером 4 Гб (для 64-разрядных компьютеров эта величина равна 2**64б).

Подсчитаем примерный размер таблицы страниц. В 32-битном адресном пространстве при размере страницы 4К (Intel) получаем 1М страниц, а в 64-битном и того более. Т.о. таблица должна иметь 1М строк (entry), причем запись в строке состоит из нескольких байт. Заметим, что каждый процесс, нуждается в своей таблице страниц (а в случае сегментно-страничной схемы по одной на каждый сегмент). Итак, в данном случае таблица страниц должна быть чересчур большой.

Вместе с тем, отображение должно быть быстрым. Отображение должно быть быстрым, так как оно делается при каждом обращении к памяти, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ происходит практически в каждой машинной инструкции. Эта проблема решается главным образом за счёт реализации ассоциативной памяти.

Для того чтобы избежать крайне важно сти иметь огромную таблицу в памяти всœе время, а хранить лишь несколько ее фрагментов (это возможно опять же на основании свойства локальности), многие компьютеры используют многоуровневую таблицу страниц.

Рассмотрим модельный пример (рис.10.4). Предположим, что 32-разрядный адрес делится на 10-разрядное поле Рtr1, 10-разрядное поле Рtr2 и 12-разрядное смещение Offset. 12 разрядов смещения позволяют локализовать байт внутри страницы размером 4К (2**12), а всœего имеем 2**20 страниц. Как видно из рис. 9.4 1024 строки в таблице верхнего уровня при помощи поля Ptr1 ссылаются на 1024 таблицы второго уровня, каждая из которых содержит также 1024 строки. При помощи поля Ptr2 каждая строка таблицы второго уровня указывает на конкретную страницу. Смысл такой организации в том, чтобы избежать поддержки всœех таблиц второго уровня (а их 1024) в памяти постоянно. Рассмотрим пример с круглыми цифрами. Допустим, что процессу нужны 12М памяти: 4М в нижней части памяти для кода, 4М в нижней части для данных и 4М в верхней части памяти для стека. Между дном стека и верхом данных гигантское пространство размером 4Gb-12Mb, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ не используется. Для этого случая необходимы лишь 1 таблица верхнего уровня и 3 таблицы второго уровня. Такой подход естественным образом обобщается на три и более уровней таблицы.

Рассмотрим одну из записей таблицы страниц. Ее размер колеблется от системы к системе, но 32 бита - наиболее общий случай. Самое важное поле - номер кадра. Цель страничного отображения - локализовать эту величину. Далее бит присутствия, биты защиты (к примеру, 0 - read/write, 1 - read only ...), биты модификации (если на нее писали) и биты ссылки, которые помогают выделить мало используемые страницы, биты разрешающие кэширование. Заметим, что адреса страниц на диске не являются частью таблицы страниц.

Рисунок 10.4 - Пример двухуровневой таблицы страниц.

Как наличие нескольких уровней сказывается на производительности менеджера памяти? В случае если предположить, что каждый уровень - отдельная таблица в памяти, преобразование адреса может потребовать нескольких обращений к памяти.

Количество уровней в таблице страниц зависит от конкретных особенностей архитектуры. Можно привести примеры реализации одноуровневого (DEC PDP-11), двухуровневого (Intel, DEC VAX), трехуровневого (Sun SPARC, DEC Alpha) paging"а, а также paging"а с задаваемым количеством уровней (Motorola). Функционирование RISC процессора MIPS R2000 осуществляется вообще без таблицы страниц. Здесь поиск нужной страницы, в случае если эта страница отсутствует в ассоциативной памяти, должна взять на себя ОС (так называемый zero level paging).

Поиск нужной страницы в многоуровневой таблице страниц, требующий несколько обращений к основной памяти на пути преобразования виртуального адреса к физическому занимает много времени. В ряде обстоятельств такая задержка недопустима. Эта проблема также находит решение на уровне архитектуры компьютера.

В соответствии со свойством локальности большинство программ в течение некоторого промежутка времени делают ссылки к небольшому числу страниц, таким образом, только небольшая часть таблицы страниц работает напряженно.

Естественное решение - 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 принято называть ассоциативная память, иногда также употребляют термин ассоциативные регистры (иногда translation lookaside buffer (TLB)).

Одна запись в таблице в ассоциативной памяти содержит информацию про одну виртуальную страницу, ее атрибуты и кадр, в котором она находится. Эти поля в точности соответствуют полям в таблице страниц.

Отображение виртуальных страниц, хранимых в ассоциативной памяти, осуществляется быстро, однако кэш память является дорогостоящей и имеет ограниченный размер.
Размещено на реф.рф
Число записей в TLB от 8 до 2048

Память принято называть ассоциативной, потому что в отличие от таблицы страниц, которая проиндексирована по номерам виртуальных страниц, здесь происходит одновременное сравнение номера виртуальной страницы с соответствующим полем во всœех строках этой небольшой таблицы. По этой причине эта память является дорогостоящей. В строке, поле виртуальной страницы которой совпало с искомым значением, находится номер страничного кадра.

Рассмотрим функционирование менеджера памяти при наличии ассоциативной памяти. Вначале он ищет виртуальную страницу в ассоциативной памяти. В случае если страница найдена - всœе нормально за исключением случаев нарушения привилегий, когда запрос на обращение к памяти отклоняется.

В случае если страницы нет в ассоциативной памяти, то она ищется через таблицу страниц. Происходит замена одной из страниц в ассоциативной памяти найденной страницей. В таблице такая загруженная страница помечается битом модификации, что будет учтено при следующей загрузке ассоциативной памяти из таблицы страниц.

Процент раз, когда номер страницы находится в ассоциативной памяти, принято называть hit (совпадение) ratio (пропорция, отношение). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, hit ratio - часть ссылок, которая должна быть сделана с использованием ассоциативной памяти. Обращение к одним и тем же страницам повышает hit ratio.

К примеру, предположим, что для доступа к таблице страниц крайне важно 100 нс, а для доступа к ассоциативной памяти 20 нс. С 90% hit ratio среднее время доступа - 0.9*20+0.1*100 = 28 нс.

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 процессов нужно добиться того, чтобы новый процесс не видел в ассоциативной памяти информацию, относящуюся к предыдущему процессу, к примеру, очищать ее. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, использование ассоциативной памяти увеличивает время переключения контекстов.

Ассоциативная память - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Ассоциативная память" 2017, 2018.