Кэш-память: уровни кэш-памяти, местоположение, отличительные особенности

 

Содержание контрольной работы:

 

I. Теоретическая часть.

1. (№22) Кэш-память: уровни кэш-памяти, местоположение, отличительные особенности  __________________________________________________2-4
2. (№50) Системы управления базами данных (СУБД), история развития, особенности _________________________________________________5-8

II. Практическая часть.

1. Задание 1.1 _______________________________________________ 9

2. Задание 1.2 _______________________________________________ 10

3. Задание 1.3 _______________________________________________ 11

4. Задание 2.1 _______________________________________________ 12

5. Задание 2.2 _______________________________________________ 13

6. Задание 2.3 _______________________________________________ 14-15

Приложение ________________________________________________ 16

Список литературы и электронных ресурсов _____________________ 17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I. Теоретическая часть.

1. Кэш-память: уровни кэш-памяти, местоположение, отличительные особенности.

Кэш-память, или просто кэш (cache), — это сверхбыстрая память используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются. То есть, способ совместного функционирования двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который за счет динамического копирования в «быстрое» ЗУ наиболее часто используемой информации из «медленного» ЗУ позволяет, с одной стороны, уменьшить среднее время доступа к данным, а с другой стороны, экономить более дорогую быстродействующую память. Кэш использует небольшую, очень быструю память, которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша.

Главное назначение кэш-памяти – это хранение данных, которые часто используются процессором. Кэш является буфером, в который загружаются данные, и, несмотря на его небольшой объём, (около 4-16 Мбайт) в современных процессорах, он дает значительный прирост производительности в любых приложениях.

Чтобы лучше понять необходимость кэш-памяти, можно себе организацию памяти компьютера в виде офиса. Оперативная память будет являть собою шкаф с папками, к которым периодически обращается бухгалтер, чтобы извлечь большие блоки данных (то есть папки). А стол, будет являться кэш-памятью. Есть такие элементы, которые размещены на столе бухгалтера, к которым он обращается в течение часа по несколько раз. Например, это могут быть номера телефонов, какие-то примеры документов. Данные виды информации находятся прямо на столе, что, в свою очередь, увеличивает скорость доступа к ним.

Точно так же, данные могут добавиться из тех больших блоков данных (папок), на стол, для быстрого использования, к примеру, какой-либо документ. Когда этот документ становится не нужным, его помещают назад в шкаф (в оперативную память), тем самым очищая стол (кэш-память) и освобождая этот стол для новых документов, которые будут использоваться в последующий отрезок времени.

Также и с кэш-памятью, если есть какие-то данные, к которым вероятнее всего будет повторное обращение, то эти данные из оперативной памяти, подгружаются в кэш-память. Очень часто, это происходит с совместной загрузкой тех данных, которые вероятнее всего, будут использоваться после текущих данных. То есть, здесь присутствует наличие предположений о том, что же будет использовано «после».

Таким образом, в задачи кеша входит:

• обеспечене быстрого доступа к интенсивно используемым данным;
• согласование интерфейсов процессора и контролера памяти;
• упреждающая загрузка данных;
• отложенная запись данных.

Уровни кэш-памяти процессора. Современные процессоры, оснащены кэшем, который состоит, зачастую из 2–ух или 3-ёх уровней. Конечно же, бывают и исключения, но зачастую это именно так.

В общем, могут быть такие уровни: L1 (первый уровень), L2 (второй уровень), L3 (третий уровень).

Кэш первого уровня (L1) – наиболее быстрый уровень кэш-памяти, который работает напрямую с ядром процессора, благодаря этому плотному взаимодействию, данный уровень обладает наименьшим временем доступа и работает на частотах близких процессору. Является буфером между процессором и кэш-памятью второго уровня.

Кэш второго уровня (L2) – второй уровень более масштабный, нежели первый, но в результате, обладает меньшими «скоростными характеристиками». Соответственно, служит буфером между уровнем L1 и L3.

Кэш третьего уровня (L3) – третий уровень, опять же, более медленный, нежели два предыдущих. Но всё равно он гораздо быстрее, нежели оперативная память. Если два предыдущих уровня разделяются на каждое ядро, то данный уровень является общим для всего процессора.

Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Находится она, на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, кэш память некоторых уровней, размещалась за пределами кристалла процессора, на специальной микросхеме SRAM на просторах материнской платы. Сейчас же, практически у всех процессоров, кэш-память размещена на кристалле процессора.

Кэш-память построена на триггерах (электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов), которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Именно поэтому кэш память является очень дорогой памятью, при этом обладая ничтожными объёмами. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти – скорость [Прил.1].

Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки, процессор производит операцию, используя кэш, что быстрее использования более медленной основной памяти.

 

2. Системы управления  базами данных (СУБД), история развития, особенности.

Система управления базами данных (СУБД) — совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

База данных (БД) – организованная структура, предназначенная для хранения информации. Современные БД позволяют размещать в своих структурах не только данные, но и методы (т.е. программный код), с помощью которых происходит взаимодействие с потребителем или другими программно-аппаратными комплексами. 

Существует много систем управления базами данных. Они могут по-разному работать с разными объектами и предоставляют пользователю разные функции и средства.

На заре вычислительной техники возможности компьютеров по хранению информации были очень ограниченными. Поэтому появление съемных магнитных дисков с подвижными головками явилось революцией в истории вычислительной техники. С их появлением началась история систем управления данными во внешней памяти, произошел переход к использованию централизованных систем управления файлами.

 В  первых компьютерах использовались  два вида внешних устройств  – магнитные ленты и магнитные  барабаны. Емкость магнитных лент  была достаточно велика. Устройства  для чтения-записи магнитных лент  обеспечивали последовательный  доступ к данным. Для чтения  информации, которая находилась  в середине или конце магнитной  ленты, необходимо было сначала  прочитать весь предыдущий участок. Следствием этого являлось чрезвычайно  низкая производительность операций  ввода-вывода данных во внешнюю  память. Магнитные барабаны давали  возможность произвольного доступа, но имели ограниченный объем  хранимой информации.

Разумеется, говорить о какой-либо системе управления данными во внешней памяти, в тот момент не приходилось. Каждая прикладная программа, которой требовалось хранить данные во внешней памяти, сама определяла расположение каждого блока на магнитной ленте. Прикладная программа также брала на себя функции информационного обмена между оперативной памятью и устройствами внешней памяти с помощью программно-аппаратных средств низкого уровня. Такой режим работы не позволял или очень затруднял поддержку на одном носителе нескольких архивов долговременно хранимой информации. Кроме того, каждой прикладной программе приходилось решать проблемы именования частей данных и структуризации во внешней памяти. 

Первоначально СУБД применялись только в крупных организациях с мощной аппаратной поддержкой, необходимой для работы с большими объемами данных. В современных базах данных хранятся не только данные, но и информация.

Недостатки файловых систем, именно избыточность, несогласованность данных, зависимость структур данных и прикладных программ послужили тем толчком, который заставил разработчиков информационных систем предложить новый подход к управлению информацией. Этот подход был реализован в рамках новых программных систем, названных впоследствии Системами Управления Базами Данных (СУБД), а сами хранилища информации, которые работали под управлением данных систем, назывались базами или банками данных (БД и БнД).

История развития СУБД насчитывает более 30 лет. В 1968 году была введена в эксплуатацию первая промышленная СУБД система IMS фирмы IBM. В1975 году появился первый стандарт ассоциации по языкам систем обработки данных — Conference of Data System Languages (CODASYL).  В дальнейшее в развитие теории баз данных большой вклад был сделан американским математиком Э. Ф. Коддом, который является создателем реляционной модели данных

Первый этап развития СУБД связан с организацией баз данных на больших машинах типа IBM 360/370, ЕС-ЭВМ и мини-ЭВМ. Базы данных хранились во внешней памяти центральной ЭВМ, пользователями этих баз данных были задачи, запускаемые в основном в пакетном режиме. Программы доступа к БД писались на различных языках и запускались как обычные числовые программы. Мощные операционные системы обеспечивали возможность условно параллельного выполнения всего множества задач. Эти системы можно было отнести к системам распределенного доступа, потому что база данных была централизованной, хранилась на устройствах внешней памяти одной центральной ЭВМ, а доступ к ней поддерживался от многих пользователей - задач.

Второй этап - эпоха персональных компьютеров. Это время появления множества программ, предназначенных для работы неподготовленных пользователей. Эти программы просты в использовании и интуитивно понятны: это, прежде всего, различные редакторы текстов, электронные таблицы и другие. Каждый пользователь может автоматизировать многие аспекты деятельности. И, конечно, это сказалось и на работе с базами данных. Появились программы, которые назывались системами управления базами данных и позволяли хранить значительные объемы информации, они имели удобный интерфейс для заполнения данных, встроенные средства для генерации различных отчетов. Эти программы позволяли автоматизировать многие учетные функции, которые раньше велись вручную. Компьютеры стали инструментом для ведения документации и собственных учетных функций. Это все сыграло как положительную, так и отрицательную роль в области развития баз данных.

Особенности второго этапа в том, что СУБД были рассчитаны на создание БД в основном с монопольным доступом. Компьютер персональный не был подсоединен к сети, и база данных на нем создавалась для работы одного пользователя. В редких случаях предполагалась последовательная работа нескольких пользователей, например, сначала оператор, который вводил бухгалтерские документы, а потом главбух, который определял проводки, соответствующие первичным документам.

Третий этап  - это распределенные базы данных. Хорошо известно, что история развивается по спирали, поэтому после процесса «персонализации» начался обратный процесс — интеграция. Множится количество локальных сетей, все больше информации передастся между компьютерами, остро встает задача согласованности данных, хранящихся и обрабатывающихся в разных местах.  Появляются распределенные базы данных, позволяющих организовать параллельную обработку информации и поддержку целостности БД.

Особенности третьего этапа в том, что  большинство современных СУБД рассчитаны на многоплатформенную архитектуру, то есть они могут работать на компьютерах с разной архитектурой и под разными операционными системами, при этом для пользователей доступ к данным, управляемым СУБД, на разных платформах практически неразличим. Необходимость поддержки многопользовательской работы с базой данных и возможность децентрализованного храпения данных потребовали развития средств администрирования БД с реализацией общей концепции средств защиты данных.

Четвертый этап - перспективы развития систем управления базами данных Он характеризуется появлением новой технологии доступа к данным— интрнет. Основное отличие этого подхода от технологии клиент-сервер состоит в том, что отпадает необходимость использования специализированного клиентского программного обеспечения. Для работы с удаленной базой данных используется стандартный броузер Internet, например Microsoft InternetExplorer, и для конечного пользователя процесс обращения к данным происходит аналогично использованию Internet. При этом встроенный в загружаемые пользователем HTML-страницы код, написанный обычно на языках Java, Java-script, Perl и других, отслеживает все действия пользователя и транслирует их в низкоуровневые SQL-запросы к базе данных, выполняя, таким образом, ту работу, которой в технологии клиент-сервер занимается клиентская программа.

Удобство данного подхода привело к тому, что он стал использоваться не только для удаленного доступа к базам данных, но и для пользователей локальной сети предприятий и организаций. И для подключения нового пользователя к возможности использовать данную задачу не требуется установка дополнительного клиентского программного обеспечения.