Організація пам’яті комп’ютерних систем цифрової обробки сигналів

Параметри комп’ютерних систем ЦОС в значні мірі визначаються параметрами пам'яті - ємністю, швидкодією та шириною доступу до даних. Задача опису всіх можливих структур є нерозв'язною. Тому доцільним є виділення і дослідження узагальнених базових структур, на основі яких можуть бути синтезовані системи пам'яті для конкретних застосувань. За організацією пам'яті комп’ютерні системи ЦОС можна розділити на три класи: системи із розподіленою локальною пам’яттю; системи із зосередженою спільною пам’яттю; системи із зосереджено-розподіленою пам’яттю [5,9]. Особливістю комп’ютерних систем ЦОС з розподіленою пам’яттю є те, що кожний процесор такої системи має свою локальну пам’ять, доступ до якої є швидким і простим. У таких комп’ютерних системах взаємодія між процесорами є повільною та здійснюється за допомогою передачі повідомлень. В комп’ютерних системах ЦОС з зосередженою загальною пам’яттю взаємодія між процесорами та пам’яттю є складною і здійснюється через систему жорстких або програмованих каналів зв’язку. Найефективнішими за організацією обмінів є комп’ютерні системи ЦОС із зосереджено-розподіленою пам’яттю.

 

Рис. 10.4. Базові структури пам'яті: а) з послідовним доступом до даних; б) з незалежним доступом до т елементів даних

 

Аналіз ширини і часових стратегій доступу та зв’язків пам’яті з процесорами, операційними пристроями і пристроями вводу-виводу дозволив виділити наступні базові структури пам’яті [9]:

· на основі одновимірного з лінійною адресацією блока пам'яті, в якій забезпечується послідовний доступ до елементів даних (рис.10.4 а);

· основою якої є т окремих одновимірних з лінійною адресацією блоків пам’яті, в якій реалізується незалежний доступом до т елементів даних (рис.10.4б);

· на основі одновимірного з лінійною адресацією блока пам'яті, в якій реалізується паралельна адресація і доступ до даних (рис.10.5 а);

· з паралельною адресацію і доступом до даних із загального поля пам’яті, реалізованого на основі т одновимірних з лінійною адресацією блоків пам'яті (рис.10.5 б).

На рис.10.4 і 10.5 наведені базові структури пам'яті комп’ютерних систем ЦОС, де – А, D і y є відповідно шини адреси, даних і управління; П – пам’ять. В основу організації першої базової структури пам’яті (рис.2.16 а) покладено принципи одновимірності та лінійності адресного простору пам’яті. Для даної пам’яті при звертанні мінімальним неподільним елементом даних є n- розрядне слово.

 

Рис. 10.5 Базові структури пам'яті з паралельним доступом

а) на основі одновимірної пам'яті б) на основі двовимірної пам'яті

 

Друга базова структура пам’яті (рис.10.4 б) реалізується на т окремих блоках пам’яті, кожен з яких має власне запам’ятовуюче середовище з незалежною адресацією. Така структура пам’яті дозволяє реалізувати одну із наступних часових стратегій звертання до блоків: послідовну, з перекриттям у часі та паралельну.

Основою третьої базової структури пам’яті (рис.10.5а) є спільне одновимірне поле пам’яті з лінійною адресацією. Паралельний доступ до множини елементів даних у такій структурі забезпечується шляхом паралельно-послідовного масштабування доступу та часового розподілу ресурсів спільного поля пам'яті.

Особливістю четвертої базові структури пам'яті (рис.10.5б) є двовимірне спільне поля пам’яті, яке реалізується на основі т блоків пам'яті з незалежною адресацією. В такій структурі всі питання, що пов’язані із встановленням фізичного зв’язку та забезпеченням паралельного доступу, вирішуються в самій пам’яті за допомогою комутуючої мережі.

Третя і четверта базові структури пам’яті відповідають вимогам, що висуваються до паралельної пам'яті, оскільки забезпечують паралельний доступ до множини даних.

В більшості випадків вхідні дані в задачах ЦОС мають просторово-часову організацію, яка визначається природою їх отримання. Для вводу і обробки даних з просторово-часовою організацією використовується як пам’ять з послідовним, так і паралельним доступом. Аналіз структур даних, алгоритмів розв’язання задач і архітектур процесорів та систем дозволив сформувати наступні вимоги до пам’яті КС реального часу [2,3,9]:

· бути адаптованою до інтенсивності надходження потоків даних, структури і алгоритмів обробки даних;

· забезпечувати можливість зміни ширини та часу доступу до пам'яті;

· забезпечувати можливість зміни величини затримки на необхідне число тактів та частоти переключення каналів видачі даних;

· забезпечувати можливість налаштування генераторів адрес на формування необхідної послідовності адрес.

Один з напрямків підвищення швидкодії КС є широке використання паралельної пам'яті на різних рівнях обробки. Створення пам’яті, у якій принципи паралелізму реалізовані на всіх рівнях ієрархії, є недоцільним, що пояснюється кількома причинами. Перша - висока вартість і великі апаратні затрати. Друга причина - відсутність зовнішньої пам’яті паралельного типу. Крім цього, велику роль відіграє і те, що вартість паралельної пам’яті в більшій мірі залежить від паралельності доступу, ніж від ємності.

 

Рис.10.6 Ієрархічна багаторівнева структура пам’яті комп’ютерних систем ЦОС

 

Раціональним на теперішній час бачиться організація пам'яті систем цифрової обробки сигналів ієрархічною багаторівневою на базі пристроїв з паралельним і послідовним доступом (рис.10.6), причому оперативну пам’ять, кеш і регістрову пам’ять доцільно реалізовувати у вигляді паралельної пам’яті.