ما المقصود بهرمية الذاكرة Memory Hierarchy؟
التسلسل الهرمي للذاكرة أو هرمية الذاكرة (Memory Hierarchy): في معمارية الكمبيوتر، يفصل التسلسل الهرمي للذاكرة تخزين الكمبيوتر في وقت الاستجابة المستند إلى التسلسل الهرمي، تمّ تطويره لتنظيم الذاكرة بطريقة تقلل من وقت الوصول، يؤثر التسلسل الهرمي للذاكرة على الأداء في التصميم المعماري للكمبيوتر، وتنبؤات الخوارزمية، والبرمجة منخفضة المستوى (low-level programming) تبني موقع المرجع المتضمن.
يمكننا القول أنّ وحدة الذاكرة هي مجموعة من وحدات التخزين أو الأجهزة معًا، يمكنه تخزين المعلومات الثنائية في أشكال بت، تم تصميم التسلسل الهرمي للذاكرة إلى جزأين كالتالي:
- الذاكرة الخارجية أو الثانوية (External or Secondary Memory): هناك عدة أنواع من الذاكرة الخارجية الموجودة، مثل القرص المغناطيسي، والقرص البصري، والشريط المغناطيسي، وأجهزة التخزين الطرفية، يمكن الوصول إلى هذه الأجهزة بواسطة المعالج من خلال وحدة الإدخال / الإخراج.
- الذاكرة الداخلية أو الذاكرة الأساسية (Internal memory or primary memory): توجد الذاكرة الرئيسية وذاكرة التخزين المؤقت وسجلات (registers) وحدة المعالجة المركزية في الذاكرة الأساسية أو الداخلية، يمكن الوصول إلى هذه الذاكرة مباشرة بواسطة المعالج.
خصائص هرمية الذاكرة:
السعة Capacity:
السعة هي معلومات وحدة التخزين العامة للذاكرة التي يمكن تخزينها، إذا انتقلنا من أعلى إلى أسفل في التسلسل الهرمي، يزداد وقت الوصول (access time).
وقت الوصول Access time:
وقت الوصول هو الفاصل الزمني بين طلب القراءة / الكتابة وتوافر البيانات، إذا انتقلنا من أعلى إلى أسفل في التسلسل الهرمي، يزداد وقت الوصول.
الفعالية Performance:
عندما تمّ تصميم نظام الكمبيوتر بدون تصميم هرمي للذاكرة، تزداد فجوة السرعة بين سجلات وحدة المعالجة المركزية والذاكرة الرئيسية بسبب الاختلاف الشاسع في وقت الوصول.
أدى ذلك إلى انخفاض أداء النظام وبالتالي كان التحسين مطلوبًا، تمّ إجراء هذا التحسين في تصميم التسلسل الهرمي للذاكرة وهذا هو سبب زيادة أداء نظام الكمبيوتر، تتمثل أهم الطرق لتحسين أداء النظام في تقليل المسافة التي يجب أن يمر بها التسلسل الهرمي للذاكرة لمعالجة البيانات.
التكلفة لكل بت Cost per bit:
إذا انتقلنا من أسفل إلى أعلى في التسلسل الهرمي للذاكرة، فستزداد تكلفة كل بت، الذاكرة الداخلية أكثر تكلفة من الذاكرة الخارجية في نظام الكمبيوتر.
تصميم هرمية الذاكرة:
السجلات في وحدة المعالجة المركزية Level 0:
توجد السجلات في وحدة المعالجة المركزية (Registers in CPU) في أعلى الهرم ” رأس الهرم” (Level 0)، سجل المعالج هو موقع يمكن الوصول إليه بسرعة ومتاح لوحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر، تتكون السجلات عمومًا من كمية صغيرة من التخزين السريع، على الرغم من أنّ بعض السجلات لها وظائف أجهزة دقيقة وقد تكون للقراءة فقط أو للكتابة فقط.
الذاكرة المؤقتة Level 1:
توجد الذاكرة المؤقتة (Cache Memory) (Level 1)، أسفل (Level 0)، ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية هي ذاكرة تخزين مؤقت للأجهزة، تستخدمها وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر لتقليل متوسط تكلفة الوصول إلى البيانات من الذاكرة الرئيسية، ذاكرة التخزين المؤقت هي ذاكرة أصغر وأسرع، وتقع بالقرب من قلب المعالج، والتي تخزن نسخ البيانات من موقع الذاكرة الأساسي المستخدم بشكل متكرر.
تسمى ذاكرة التخزين المؤقت “ذاكرة الكاش” أيضًا ذاكرة وحدة المعالجة المركزية، إنّها ذاكرة وصول عشوائي ثابتة (SRAM)، عالية السرعة يمكن للمعالج الدقيق للكمبيوتر الوصول إليها بسرعة أكبر مقارنة بذاكرة الوصول العشوائي العادية، ذاكرة التخزين المؤقت هي نوع صغير الحجم من ذاكرة الكمبيوتر المتطايرة التي توفر وصولاً عالي السرعة للبيانات إلى المعالج وتخزينها بشكل متكرر باستخدام برامج الكمبيوتر والتطبيقات والبيانات، إنّها أيضًا أسرع ذاكرة في الكمبيوتر ومتكاملة في اللوحة الأم ومدمجة مباشرة في المعالج أو ذاكرة الوصول العشوائي الرئيسية.
الذاكرة الرئيسية Level 2:
توجد الذاكرة الرئيسية في الهرم أسفل الذاكرة المؤقتة، (Level 2)، الذاكرة الرئيسية في نظام الكمبيوتر هي ذاكرة الوصول العشوائي، تُعرف هذه الذاكرة أيضًا باسم (RAM) باختصار، إنّه جزء من نظام الكمبيوتر الذي يخزن برامج نظام التشغيل وتطبيقات البرامج والمعلومات الأخرى لوحدة المعالجة المركزية، تتمتع وحدة المعالجة المركزية بوصول سريع ومباشر عندما يحتاج المستخدم لأداء المهمة.
تعد ذاكرة الوصول العشوائي واحدة من أسرع أنواع الذاكرة ويمكن أن تسمح بقراءة البيانات وكتابتها، تشير الذاكرة الرئيسية إلى الدوائر المتكاملة لأجهزة الكمبيوتر التي تخزن المعلومات للاستخدام الفوري في نظام الكمبيوتر، هذه الذاكرة مرادفة لمصطلح “التخزين الأساسي” (primary storage).
ذاكرة التخزين المؤقت على القرص Disk Cache:
ذاكرة التخزين المؤقت على القرص هي آلية لتحسين الوقت المستغرق في القراءة من القرص الثابت أو الكتابة إليه، يتم تضمينه كجزء من القرص الصلب، يمكن أن يكون أيضًا الجزء المحدد من ذاكرة الوصول العشوائي، ذاكرة التخزين المؤقت للقرص هي ذاكرة التخزين المؤقت التي تُستخدم لتسريع عملية تخزين البيانات والوصول إليها من القرص الثابت المضيف.
القرص المغناطيسي Level 3:
التخزين المغناطيسي أو التسجيل المغناطيسي هو تخزين البيانات على الوسط الممغنط، يستخدم أنماطًا مختلفة من المغنطة في مادة المغناطيس ذو اللون الأسود القاتم لتخزين البيانات، إنّه شكل من أشكال الذاكرة غير المتطايرة، يتم الوصول إلى المعلومات باستخدام رأس أو أكثر للقراءة / الكتابة.
إنّه الشكل الأكثر شيوعًا للتخزين الثانوي في نظام الكمبيوتر، توفر هذه الذاكرة وصولاً سريعًا وقدرات تخزين عالية بتكلفة معقولة، تحتوي محركات الأقراص المغناطيسية على أقراص معدنية مطلية على كلا الجانبين بمادة أكسيد الحديد.
الشريط الممغنط والقرص الضوئي Level 4:
الشريط الممغنط Magnetic tape:
الشريط المغناطيسي هو وسيط التسجيل المغناطيسي، مصنوع من طبقة رقيقة ممغنطة على الشريط الطويل والضيق من الفيلم البلاستيكي، في عام (1928)، تمّ تطويره في ألمانيا، يعتمد على تسجيل السلك المغناطيسي، إنّه نوع وسائط التخزين المادية لأنواع مختلفة من البيانات، يعتبر الشريط المغناطيسي بمثابة حل تماثلي (analog)، إنّها أقدم تقنية لتخزين البيانات الإلكترونية.
القرص الضوئي Optical disk:
القرص الضوئي في نظام الكمبيوتر هو تقنية التسجيل، إنّه مسطح، قرص دائري يمكنه ترميز البيانات الثنائية في شكل حفر وهبوط على المادة الخاصة، هو قرص تخزين الكمبيوتر الذي يخزن البيانات رقميًا ويستخدم شعاع الليزر لقراءة البيانات وكتابتها.
يستخدم القرص الضوئي بشكل أساسي كجهاز تخزين محمول وثانوي، يمكن لهذا القرص تخزين بيانات أكثر من الجيل السابق من وسائط التخزين المغناطيسية، يعد القرص المضغوط أو قرص الفيديو الرقمي أو قرص الفيديو وقرص (Blue-ray) أكثر أشكال الأقراص الضوئية شيوعًا، تُستخدم هذه الأنواع من الأقراص بشكل عام من أجل:
- توزيع البرمجيات على العملاء.
- تخزين كمية كبيرة من البيانات على شكل موسيقى وصور ومقاطع فيديو.
- نقل البيانات إلى أنظمة أو أجهزة كمبيوتر مختلفة.
- نسخ البيانات احتياطيًا من الجهاز المحلي (local machine).
