النفاذ إلى الذاكرة (في الحواسيب)

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

النفاذ إلى الذاكرة (في الحواسيب)

نفاذ الي ذاكره (في حواسيب)

Direct Memory Access - Accès direct à la mémoire

النفاذ إلى الذاكرة (في الحواسيب)

تعتمد النظم الحاسوبية في بنيانها على أنواع متعددة من الذاكرات لتخزين البرامج والمعطيات. وأصبحت اليوم سرعة الذاكرة ـ وهي مجموعة الدارات المصنوعة من أنصاف النواقل semiconductor لتخزين المعلومات واستحضارها ـ عاملاً مهماً في أداء النظم الحاسوبية. وتطرح زيادة سرعة المعالجات الصغرية تحدياً مستمراً أمام مصنّعي الذاكرة بغية رفع أدائها لمواكبة تلك المعالجات. وفي الواقع يتطلب إنجاز أيّ تبادل معطيات مع الذاكرة زمناً محدداً بزمن النفاذ access time. ويدل هذا المقدار على المدة الضرورية للحصول على محتوى موقع معيّن من الذاكرة، أو الكتابة فيه. ويتعلق هذا الزمن بتقانة تصنيع الذاكرة، والطريقة المتبعة لتنظيم المعطيات فيها، وبأسلوب النفاذ إلى المعطيات.

يُعدّ زمن النفاذ من أهم مميزات الذاكرة، إذ ينبغي ـ عند تصميم النظم الرقمية المبنية على المعالجات الصغرية ـ التوثق من التوافق بين سرعة النفاذ إلى الذاكرة وتردد ميقاتية المعالج. ولا يمكن لمعالج سريع الحصول على تعليماته المخزَّنة في ذاكرة برنامج بطيئة، ولا يستطيع أيضاً تخزين المعطيات أو قراءتها من ذاكرة معطيات غير متوافقة بالسرعة معه.

أنواع النفاذ إلى الذاكرة

يمكن تمييز ثلاثة أنواع مختلفة للنفاذ إلى الذاكرة، وهي : النفاذ العشوائي random access، والنفاذ التتابعي sequential access، والنفاذ التجميعي associative access.

النفاذ العشوائي

الشكل (1) النفاذ إلى ذاكرة ذات تنظيم مصفوفي

يُسمح في هذه الذاكرة بانتقاء أيّ موقع فيها بغض النظر عن ترتيبه. وتُسمى الذاكرة التي تعتمد هذا الأسلوب بالذاكرة ذات النفاذ العشوائي RAM. وقد تُنظم هذه الذواكر بإحدى طريقتين: التنظيم الجدولي، أو التنظيم المصفوفي.

في التنظيم الجدولي: يُنظر إلى الذاكرة كجدول معطيات وحيد البعد بحيث يمكن النفاذ إلى أيّ موقع فيه بتقديم عنوان وحيد. ولذا تتميز هذه الذاكرات بزمن نفاذ قصير نسبياً. أما الذاكرات ذات التنظيم المصفوفي فتتطلب تقديم عنوانين للنفاذ إلى أي موقع فيها. ويمثل هذان العنوانان عنوان السطر RAS وعنوان العمود CAS بحيث يقع الموقع المطلوب عند تقاطعهما. تعاني هذه الذاكرات من زمن النفاذ المرتفع مقارنةً بالذاكرات الجدولية (الشكل 1).

النفاذ التتابعي

يعتمد الموقع الجاري النفاذ إليه في الذاكرات التي تتبع هذا الأسلوب على الموقع السابق، وهذا ما يقلّل من سرعتها. ومثال ذلك الشرائط المغنطيسية التي يُلفّ الشريط فيها حول بكرة، ولا يمكن النفاذ إلى المعطيات المخزَّنة في موقع معيّن دون المرور بالمواقع السابقة.

النفاذ التجميعي

الشكل (2) البنية الداخلية للذاكرة التجميعية

في هذا النوع يُرفق بكل معلومة مخزَّنة مفتاح معيّن، ويجري البحث عن تلك القيمة بوساطة ذاك المفتاح. إذا ارتبط مثلاً المفتاح «أحمد» بالقيمة «7»، أمكن العثور على هذه القيمة بالبحث عن الكلمة «أحمد». تسمى الذاكرة التي تتبع هذا الأسلوب بالذاكرة المعنونة بالمحتوى (content addressable memory (CAM. وتُعدّ الذاكرة الخبيئة مثالاً على هذا النوع من النفاذ. إن سرعة النفاذ التجميعي مرتفعة، وهي تغني المعالج عن اللجوء إلى الذاكرة الرئيسية البطيئة (الشكل 2).

دور النفاذ في الأداء

يتجلى أثر النفاذ في أداء الذاكرة بمقادير مختلفة وهي:

ـ زمن النفاذ: وكما ذُكر سابقاً، يسمح إنقاص زمن النفاذ بزيادة سرعة الذاكرة.

ـ معدل النقل transfer rate: وهو كمية المعلومات الاثنانية المنقولة في واحدة الزمن. ويُقدّر بالبت/ثانية. ويسمى أيضاً بعرض حزمة الذاكرة memory bandwidth. ويتيح معدل النقل المرتفع زيادة عدد مرات النفاذ إلى الذاكرة.

ـ زمن النفاذ الوسطي :average access time عند النفاذ إلى تراتب الذاكرة، تمثل الذاكرات من المستويات المختلفة ذاكرة وحيدة مكافئة، يعطى زمن النفاذ إليها بالعلاقة الآتية:

زمن النفاذ الوسطي = معدل الإصابة في المستوى الأعلى × زمن النفاذ إلى المستوى الأعلى + معدل الإخفاق في المستوى الأعلى × غرامة الإخفاق

حيث تمثل غرامة الإخفاق المدة الزمنية الضرورية لجلب المعلومات من الذاكرة ذات المستوى الأدنى.

ولتقليص زمن النفاذ الوسطي إلى المعلومات، تلجأ النظم الحاسوبية إلى زيادة عدد مستويات الذاكرة، ويُرمز إليها بالرموز: L₁، L₂، L₃ ونحوها. وعلى سبيل المثال، يضم المعالج بنتيوم 4 Pentium-IV ثلاثة مستويات من الذاكرة الخبيئة المكاملة مع رقاقته.

يُعطى زمن النفاذ الوسطي عند استخدام مستويي خبيئة بالعلاقة الآتية:

زمن النفاذ = معدل الإصابة L₁ × زمن النفاذ إلى الخبيئة L₁ + معدل الإخفاق L₁ × (معدل الإصابة L₂ × زمن النفاذ إلى الخبيئة L₂ + معدل الإخفاق L₂ × غرامة الإخفاق L₂).

أمثلة على النفاذ إلى الذاكرة

الشكل (3) صور بعض الذاكرات الديناميكية

الشكل (4) التخزين الحلزوني والخطي للمعطيات على الشريط

الشكل (5) صور بعض الشرائط المغنطيسية مقارنة بالقرص المرن

النفاذ إلى الذاكرات الديناميكية

تعاني الذاكرة الديناميكية من زمن النفاذ الكبير. وهذا ما حدا المصنّعين إلى إيجاد تقنيات جديدة تسمح برفع أدائها، ومنها: إمكانية النفاذ إلى أعمدة متتالية في السطر ذاته بعد تحديد عنوان السطر مرّة واحدة، كما هي الحال في الذاكرة FPM، أو إضافة قناة توارد pipeline بمرحلتين إلى دخلها، مثل الذاكرة EDO، أو اعتماد مسرى بميفاق خاص لنقل المعطيات بين رقاقات الذاكرة، مثل الذاكرة RDRAM (الشكل 3).

النفاذ إلى الذاكرة الخبيئة

عند القراءة يقدِّم المعالج جزءاً من المعطيات المطلوبة إلى هذه الذاكرة التي تبحث عتادياً في جميع مواقعها عن تطابق مع معطيات الدخل المقدَّمة. يُرفق بكل كلمة معطيات بت إضافي يسمى بت الصلاحية validity bit، وتسمى المعلومات المحددة من المعالج بالأمارة tag. وتُحدَّد مواقع بتات الأمارة في الكلمة بوساطة سجل القناع. ويُعلن عن حدوث مطابقة عند العثور على موقع يحوي تلك الأمارة، وله بت صلاحية يساوي الواحد.

عند الكتابة يقدم المعالج المعطيات إلى الذاكرة التي تبحث عن موقع ذي بت صلاحية معدوم، فإذا لم تعثر على ذلك استعاضت عن أحد المواقع وفق سياسة استعاضة محددة، كالاستعاضة عن الموقع ذي الاستخدام الأقل حداثة least-recently used. وتتميز الذاكرة الخبيئة عادةً بزمن نفاذ صغير جداً من رتبة النانو ثانية.

النفاذ إلى الشرائط المغنطيسية

يمكن النفاذ إلى الشرائط تتابعياً، إذ تُقسم المعطيات إلى كتل بحيث تُخزّن تخزيناً خطياً أو حلزونياً على الشريط (الشكل 4)، ويفصل بين كل تتالٍ من الكتل فاصل يماثل رمز نهاية الملف عند التخزين على القرص. يختلف زمن النفاذ إلى المعطيات بحسب طريقة التخزين وترتيب تخزين تلك القيمة على الشريط. ويُعدّ هذا الزمن مرتفعاً مقارنةً بالذاكرة بسبب ضرورة لفّ الشريط بمقدار الثلث تقريباً عند الانتقال من كتلة إلى أخرى. وللتخفيف من ذلك يمكن استخدام الفهرسة بحيث يُحفظ جدول تقابل look-up table يضم المواقع الفيزيائية لكل كتلة مادية مخزنة على القرص. ويمكن أيضاً فصل الكتل بعلامة فارقة سريعة الكشف عند دوران الشريط بسرعة عالية. ومثال ذلك، الشريط SAIT-2 من Sony الذي يخزِّن 800GB من دون ضغط المعطيات وعند الضغط، يمكن أن تبلغ هذه القيمة 1TB. يجري تبادل المعطيات بسرعة 45MB/s، ويبلغ طول الشريط 640م (الشكل 5).

محمد نوار العوا

الموضوعات ذات الصلة:

التسجيل المغنطيسي ـ الحاسوب ـ الذاكرة الخبيئة ـ الذاكرة في الحاسوب ـ المعالج الصغري.

مراجع للاستزادة:

ـ وليام ستولينغ، تنظيم الحاسوب وبنيانه: التصميم من أجل الأداء، ترجمة: فيصل العباس، نوار العوا (المركز العربي للترجمة والتعريب، دمشق 2003).

- H.P. MESSMER, The indispensable PC hardware book (Addison-Wesley Publishers, 4th edition 2001).