Пам'ять - один з блоків ЕОМ, що складається з ЗУ і призначений для запам'ятовування, зберігання і видачі інформації (алгоритму обробки даних і самих даних).
Основними характеристиками окремих пристроїв пам'яті (запам'ятовуючих пристроїв) є ємність пам'яті, швидкодію і вартість зберігання одиниці інформації (біта).
Швидкодія (затримка) пам'яті визначається часом доступу і тривалістю циклу пам'яті. Час доступу являє собою проміжок часу між видачею запиту на читання і моментом надходження запитаного слова з пам'яті. Тривалість циклу пам'яті визначається мінімальним часом між двома послідовними зверненнями до пам'яті.
Вимоги до збільшення ємності і швидкодії пам'яті, а також до зниження її вартості є суперечливими. Чим більше швидкодія, тим технічно важче досягається і дорожче обходиться збільшення ємності пам'яті. Вартість пам'яті становить значну частину загальної вартості ЕОМ.
Як і більшість пристроїв ЕОМ, пам'ять має ієрархічну структуру. Узагальнена модель такої структури, яка відображає різноманіття ЗУ і їх взаємодія, представлена на малюнку 8.1. Всі пристрої, що запам'ятовують володіють різною швидкодією і ємністю. Чим вище рівень ієрархії, тим вище швидкодія відповідної пам'яті, але менше її ємність.
Мал. 8.1. Ієрархічна структура пам'яті
До найвищого рівня - надоперативності - відносяться регістри керуючих і операційних блоків процесора, сверхоперативная пам'ять, керуюча пам'ять, буферна пам'ять (кеш-пам'ять).
На другому оперативному рівні, нижчому, знаходиться оперативна пам'ять (ОП), що служить для зберігання активних програм і даних, тобто тих програм і даних, з якими працює ЕОМ.
На наступному нижчому зовнішньому рівні розміщується зовнішня пам'ять.
Місцева пам'ять або реєстрова пам'ять процесора. Входить до складу ЦП (регістри керуючих і операційних блоків процесора) і призначена для тимчасового зберігання інформації. Вона має малу ємність і найбільшу швидкодію. Побудована на базі регістрів загального призначення. РОН конструктивно суміщені з процесором ЕОМ. Цей тип ЗУ використовується для зберігання керуючих і службових кодів, а також інформації, до якої найбільш часто звертається процесор при виконанні програми.
Керуюча пам'ять призначена для зберігання керуючих мікропрограм процесора (див. Розділ Пристрій управління микропрограммного типу). Виконана у вигляді постійного ЗУ (ПЗУ) або програмованого постійного ЗУ (ППЗУ). У системах з мікропрограмним способом обробки інформації УП застосовується для зберігання одного разу записаних мікропрограм, керуючих програм, констант і т.п.
Буферна пам'ять. У функціональному відношенні кеш-пам'ять розглядається як буферна ЗУ, розміщене між основною (оперативної) пам'яттю і процесором. Основне призначення кеш-пам'яті - короткочасне зберігання і видача активної інформації процесору, що скорочує число звернень до основної пам'яті, швидкість роботи якої менше, ніж кеш-пам'яті. Кеш - пам'ять від англійського cashe - тайник. Вона не є програмно доступною. Тому вона впливає на продуктивність ЕОМ, але не впливає на програмування прикладних задач. У сучасних ЕОМ розрізняють кеш першого і другого рівнів. Кеш першого рівня інтегрована з блоком попередньої вибірки команд і даних ЦП та служить, як правило, для зберігання найбільш часто використовуваних команд. Кеш другого рівня служить буфером між ОП і процесором. У деяких ЕОМ існує кеш пам'ять окремо для команд і окремо для даних.
ОП (ОЗУ) служить для зберігання інформації, безпосередньо бере участь в обчислювальному процесі (що відбувається в операційному пристрої - АЛУ). З ОЗУ в процесор надходять коди і операнди, над якими виробляються передбачені програмою операції, з процесора в ОЗУ направляються для зберігання проміжні і кінцеві результати обробки інформації. ОЗУ має порівняно велику ємність і високу швидкодію, однак менше, ніж ЗУ сверхоператівного рівня.
Зовнішня пам'ять (ВНП) використовується для зберігання великих масивів інформації в плині тривалого часу. Зазвичай ВНП не має безпосереднього зв'язку з процесором. Обмін інформацією носить груповий характер, що значно скорочує час обміну. ВНП має порівняно низьким швидкодією (пошук інформації). В якості носія використовуються магнітні диски (гнучкі і жорсткі), лазерні диски (CD-room) і ін.
Порівняно невелика місткість оперативної пам'яті (8 - 64 Мбайт) компенсується практично необмеженої ємністю зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв. Однак ці пристрої порівняно повільні - час звернення за даними для магнітних дисків становить десятки мікросекунд. Для порівняння: цикл звернення до оперативної пам'яті (ОП) становить 50 нс. Виходячи з цього, обчислювальний процес повинен протікати з можливо меншим числом звернень до зовнішньої пам'яті.
Зростання продуктивності ЕОМ проявляється в першу чергу в збільшенні швидкості роботи процесора. Швидкодія ОП також зростає, але весь час відстає від швидкодії апаратних засобів процесора тому, що одночасно відбувається випереджаюче зростання її ємності, що робить більш важким зменшення часу циклу роботи пам'яті. Внаслідок цього швидкодію ОП виявляється недостатнім для забезпечення необхідної продуктивності ЕОМ. Проявляється це в невідповідність пропускної здатності процесора і пам'яті. Для вирівнювання їх пропускних спроможностей і призначена сверхоперативная буферна пам'ять невеликої ємності (як правило, не більше 512 Кбайт) і підвищеної швидкодії.
При зверненні до блоку даних, що знаходиться на оперативному рівні, його копія пересилається в надоперативну буферну пам'ять. Наступні звернення до цього блоку даних проводиться до буферної пам'яті. Оскільки час вибірки з СОЗУ tСОЗУ багато менше часу вибірки з оперативної пам'яті tоп. введення в структуру ЕОМ СОЗУ призводить до зменшення еквівалентного часу звернення tе в порівнянні з часом звернення до оперативної пам'яті tоп:
а q - ймовірність попадання, т. е. ймовірність того, що блок даних, до якого здійснюється звернення, знаходиться в СОЗУ.