Основные запоминающие устройства

Большинство из применяемых в настоящее время типов микросхем оперативной памяти не в состоянии сохранять данные без внешнего источника энергии, то есть являются энергозависимыми (volatile memory). По сравнению с энергонезависимыми ОЗУ (non - volatile memory) они обладают: большей ёмкостью, низким энергопотреблением, более высоким быстродействием и невысокой себестоимостью хранения единицы информации   

Энергозависимые ОЗУ подразделяют на две основные подгруппы: динамическую память (DRAM - Dynamic Random Access Memory) и статическую память (SRAM - Static Random Access Memory).

В статических ОЗУ запоминающий элемент может хранить записанную информацию неограниченно долго (при наличии питающего напряжения). Запоминающий элемент динамического ОЗУ способен хранить информацию в течение достаточно короткого промежутка времени, после которого информацию нужно восстанавливать, иначе она будет потеряна.

Роль запоминающего элемента в статических ОЗУ играет триггер, имеющий два устойчивых состояния. Обычно триггер состоит из четырех либо шести транзисторов (триодов). Схема с четырьмя транзисторами обеспечивает большую емкость микросхемы, но обладает большим током утечки, чувствительна к воздействию внешних источников излучения. Наличие дополнительных двух транзисторов снижают уровень упомянутых недостатков и, главное, увеличивают быстродействие памяти.

Запоминающий элемент динамического ОЗУ состоит из одного конденсатора и запирающего транзистора. Наличие или отсутствие заряда в конденсаторе интерпретируется как 1 или 0 соответственно. Простота схемы позволяет достичь высокой плотности размещения ЗЭ и снизить стоимость. Главным недостатком являются токи утечки, среднее время утечки заряда ЗЭ составляет сотни и даже десятки миллисекунд, поэтому периодическое восстановление заряда ЗЭ (регенерация) осуществляется каждые 2-8 мс. Операции разрядки-перезарядки занимают определенное время, которое снижает скорость работы динамической памяти. Это является, пожалуй, одним из основных недостатков динамической памяти, так как по критерию, учитывающему информационную емкость, стоимость и энергопотребление, данный тип памяти во многих случаях предпочтительнее статической.

Область применения статической и динамической памяти определяется скоростью и стоимостью. Главным преимуществом SRAM является высокое быстродействие, примерно на порядок выше, чем у DRAM. Быстрая синхронная SRAM со временем доступа к информации, равным времени одного тактового импульса процессора. Малая емкость и высокая стоимость ограничивает применение статической памяти использованием основном в кэш- памяти, имеющей небольшой объем.

Динамической памяти в вычислительной машине значительно больше, чем статической. DRAM используется в качестве основной памяти ВМ. Как и SRAM, динамическая память состоит из ядра (массива ЗЭ) и интерфейсной логики (буферных регистров, усилителей чтения данных, схемы регенерации и др.). Ячейки памяти динамического типа конфигурируются обычно в матрицу строк и столбцов, причем процесс считывания организуется таким образом, что содержимое целой строки переносится в некий буфер. После считывания соответствующего бита содержимое буфера перезаписывается в ту же строку ячеек динамической памяти, то есть производится перезарядка тех конденсаторов, которые до считывания были в заряженном состоянии. Количество видов DRAM уже превысило два десятка, но ядро у них организованно практически одинаково, главные различия в интерфейсной логике в основном обусловлены областью применения микросхем. Различают две основные сферы применения динамических ОЗУ: микросхемы для основной памяти и микросхемы для видеоадаптеров.

Данные необходимо постоянно регенерировать, после каждой операции чтения данные должны быть восстановлены (при считывании информации из одной ячейки фактически выдаются данные сразу всей выбранной строки, но используются только находящиеся в интересующем столбце, а все остальные игнорируются, операция чтения из одной ячейке приводит к разрушению всей строки). Регенерация данных после чтения выполняется автоматически интерфейсной логикой микросхемы сразу же после считывания строки. 

Стековая память

Стековая память работает по принципу «последним пришел – первым обслужился» (LIFO – Last In First Out). Память с подобной организацией для запоминания и восстановления содержимого регистров процессора при отработке подпрограмм и прерываний. На рисунке 4.6 представлен принцип работы стековой памяти.

При записи слова A в стек оно заносится в первую свободную ячейку. Занесение в стек следующего слова приводит к перемещению всего содержимого стека на одну ячейку вверх, новое слово записывается в первую ячейку. При переполнении стека слово A будет потеряно. Считывание кодов из стека производится в обратном порядке. Доступ к произвольному коду в стеке формально запрещен до извлечения всех кодов, записанных позже.

Наиболее распространенным в настоящее время является внешний или аппаратно-программный стек, в котором для хранения информации отводится область основной памяти. Для стека отводится участок памяти с наибольшими адресами, стек увеличивается в сторону уменьшения адресов. Программа, использующая стек, загружается с наименьших адресов. Адресация стека обеспечивается специальным регистром – указателем стека (SP – Stack Pointer), в который предварительно помещается наибольший адрес, отведенный в основной памяти под стек.

При занесении в стек очередного слова указатель стека корректируется в сторону уменьшения на единицу. Содержимое указателя стека интерпретируется как адрес ячейки, в которую производится запись. При считывании слова из стека в качестве адреса этого слова используется текущее содержимое указателя стека, коррекция в сторону увеличения производится после чтения слова из стека.

Ассоциативная память

В подавляющем большинстве случаев для доступа к информации, хранящейся в запоминающем устройстве, требуется указать адрес ячейки. В ряде случаев значительно удобнее искать информацию не по адресу, а используя какой-либо характерный признак, содержащийся в самой информации. Данный принцип лежит в основе ассоциативных запоминающих устройств (АЗУ). Ассоциативное ЗУ – это устройство, способное хранить информацию, сравнивать ее с некоторым заданным образцом и указывать на их соответствие или несоответствие друг другу. Признак, по которому производится поиск информации, называют ассоциативным признаком, а кодовую комбинацию, являющуюся образцом для поиска, - признаком поиска. Ассоциативный признак может быть частью искомой информации или дополнительно придаваться ей. В последнем случае его принято называть тегом или ярлыком.   

Основным преимуществом ассоциативных ЗУ является то, что время поиска информации зависит только от числа разрядов в признаке поиска и скорости опроса разрядов и не зависит от числа ячеек в запоминающем массиве.

Принцип ассоциативного доступа состоит в следующем. Накопитель ассоциативного запоминающего устройства разбит на два поля – информационное и признаков. Структура информационного накопителя соответствует структуре обычного ОЗУ, а запоминающий элемент поля признаков, помимо функций записи, чтения и хранения бита, обеспечивает сравнение хранимой информации с поступающей и выдачу признака равенства.

Способ использования АЗУ в качестве сверхоперативного иллюстрирует рис. 4.7. В информационном поле ячеек АСОЗУ находится копия информации некоторых ячеек ОЗУ, в поле признаков – адреса этих ячеек ОЗУ. Когда процессор генерирует обращение к ОЗУ, он одновременно (или прежде) инициирует процедуру опроса АСОЗУ, выдавая в качестве признака адрес ОЗУ.

Если имеет место совпадение признака ячейки с запрашиваемым адресом, то производится обращение (по чтению или по записи) в информационное поле этой ячейки АСОЗУ, обращение к ОЗУ при этом блокируется. Если требуемый адрес не найден в АСОЗУ, то инициируется (или продолжается) обращение к ОЗУ, в АСОЗУ создается копия ячейки ОЗУ, к которой обратился процессор. Повторное обращение процессора по этому адресу будет реализовано в АСОЗУ (на порядок быстрее, чем в ОЗУ).

Таким образом, в АСОЗУ создаются копии тех ячеек ОЗУ, к которым в данный момент обращается процессор в надежде, что «в ближайшее время» произойдет новое обращение по этому адресу.

При необходимости записи в АСОЗУ новой информации требуется отыскать свободную ячейку, а при ее отсутствии отыскать ячейку, содержимое которой можно удалить из АСОЗУ. При необходимости до очистки информации из ячейки ее содержимое записывается в ОЗУ в соответствии с адресом, хранящимся в поле признаков.

Конкретная архитектура АЗУ определяется сочетанием четырех факторов: вида поиска информации, техники сравнения признаков, способа считывания информации при множественных совпадениях, способа записи информации.

В каждом конкретном применении АЗУ задача поиска информации может формулироваться по-разному в зависимости от:

· вида поиска информации;

· способа опроса содержимого запоминающего массива;

· способа выборки при множественных совпадениях;

· способа записи информации.

Из-за относительно высокой стоимости АЗУ редко используется как самостоятельный вид памяти.

КЭШ-память.

Основная память, реализуемая на микросхемах динамической памяти слишком медленна, требует тактов ожидания процессора (wait states) в циклах обращения к памяти. Статическая память, построенная, как и процессор на триггерных ячейках, способна догонять процессор по быстродействию, но она дорогая и имеет малую плотность упаковки. Экономически приемлемое решение этой проблемы было предложено М. Уилксом в 1965 году в процессе разработки ВМ Atlas и заключается оно в использовании двухуровневой памяти, когда между ОП и процессором размещается небольшая быстродействующая буферная память. В процессе работы такой системы в буферную память копируются те участки ОП, к которым производится обращение со стороны процессора. Основная идея – в кэш-памяти находятся слова, которые чаще всего используются. Если процессору требуется какое-либо слово, то сначала он обращается в кэш-память. Только если слова там нет, он обращается к основной памяти. Эффективность кэш-памяти зависит от того, какая часть слов находится в ней. Кэш-память (cache - убежище, тайник) является подчиненным видом памяти, она обычно скрыта от программиста в том смысле, что он не может ее адресовать.

Одной из самых эффективных технологий одновременного увеличения пропускной способности и уменьшения времени ожидания является применение нескольких блоков кэш-памяти, при этом:

1. вводятся отдельные кэш-памяти для команд и данных, имеющие независимый доступ к основной памяти, с объёмом от 16 до 64Кбайт.

2. между разделенной кэш-памятью и основной памятью помещается объединенная (программа + данные) кэш-память 2-ого уровня. Она соединяется с процессором скоростным трактом данных. Её объём от 512 Кбайт до 1Мбайта. Находится в одном корпусе с процессором.

3. кэш-память 3-его уровня находится на одной плате с процессором, обычно состоит из статического ОЗУ в несколько Мбайт.

4. обычно всё содержимое кэш-памяти 1-ого уровня находится в кэш-памяти 2-ого уровня, а всё содержимое кэш-памяти 2-ого уровня находится в кэш-памяти 3-его уровня.

На рисунке 4.8 представлена схема размещения трехуровневой кэш-память на системной плате ВМ. Реальная эффективность использования кэш-памяти зависит от характера решаемых задач, однако, установлено, что для большинства задач близкой к оптимальной является кэш-память емкостью от 1 до 512 Кбайт.

Во всех типах кэш-памяти основную память разделяют на блоки фиксированного размера, которые называются строками кэш-памяти, именно этими строками и оперирует контроллер кэш-памяти.

Строка кэш-памяти состоит из нескольких последовательных байтов. Наиболее близким к оптимальному считается размер строки, равный 4 – 8 адресуемым единицам. На практике размер строки обычно выбирают равным ширине шины данных. Строки нумеруются, начиная с нуля, т.е. если размер строки 32 байта, то строка 0 – это байты с 0 по 31, строка 1 – это байты с 32 по 63 и т.д. С каждой строкой кэш-памяти связана информация об адресе скопированного в неё блока основной памяти и признаки её состояния.

Возможен вариант секторированного КЭШа, при котором одна строка содержит несколько смежных ячеек - секторов, размер которых соответствует минимальной порции обмена данных КЭШа с основной памятью.

На рис.4.9 приведена структура системы с основной и кэш-памятью. Основная память состоит из 2 ⁿ адресуемых слов, где каждое слово имеет свой уникальный n-разрядный адрес. Эта память рассматривается как М блоков фиксированной длины по К  слов в каждом (М=2ⁿ /К). Кэш-память состоит из  С блоков аналогичного размера, причём С значительно меньше М. При считывании слова из какого-либо блока ОП этот блок копируется в определённую строку кэша. Поскольку число блоков ОП больше числа строк, отдельная строка не может быть выделена постоянно одному и тому же блоку ОП. Каждой строке кэш-памяти соответствует тег (признак), содержащий сведения о том, копии какого блока ОП в данный момент хранится в данной строке. Номеру блока соответствует номер тега (уникальное 16-битное значение, указывающее соответствующую строку памяти, из которой поступили данные).

В зависимости от способа определения взаимного соответствия строки кэш-памяти и области основной памяти различают три архитектуры кэш-памяти:

· кэш-память прямого отображения (direct - mapped cache);

· полностью ассоциативная кэш-память (fully associative cache);

· комбинация первых 2-х - частично или наборно-ассоциативная кэш-память (set associative cache).

 

4.2.9. Кэш-памяти прямого отображения.

Для каждого блока оперативной памяти, имеющего фиксированный размер, выделяется одна строка. Последовательные строки основной памяти помещаются в последовательные элементы кэш-памяти. Адрес строки i кэш-памяти, на которую может быть отображен блок j из ОП, однозначно определяется выражением: i = jmod m, где  m – общее число строк в кэш-памяти. В примере, приведенном на рис. 4.10, количество строк равно 128, номер строки  i = j mod 128, где i может принимать значения от 0 до 127, адрес блока j – от 0 до 16383.   В строке i может быть отображен каждый 128-й блок ОП, если отсчет начинать с блока, номер которого равен i. На рисунке 4.10 основная память представлена в виде двухмерного массива блоков, в котором количество рядов равно числу строк в кэш-памяти, а в каждом ряду последовательно перечислены блоки, переадресуемые на одну и ту же строку кэш-памяти.

Каждая строка кэш-памяти состоит из трех частей:

· бит достоверности определяет, есть ли достоверные данные в строке или нет. Когда система загружается, то все элементы маркируются как недостоверные;

· тег состоит из уникального 16-битного значения, указывающего соответствующую строку памяти, из которой поступили данные;

· данные содержат копию данных основной памяти, вмещает одну строку кэш-памяти в K слов (один блок).

В кэш-памяти конкретное слово с конкретным адресом может храниться только в одном месте. Если его нет в определенном месте, то его вообще нет в кэш-памяти. Для хранения и удаления данных из кэш-памяти адрес разбивается на 4 поля (рис. 4.10, в). Поле строки указывает на строку кэш-памяти, куда может быть отображен блок с заданным адресом. Поле тега определяет, какой именно из возможных блоков, закрепленных за данной строкой кэша, будет отображен. Когда блок фактически заносится в память данных кэша, бит достоверности выставляется в единицу, в память тегов кэш-памяти необходимо записать тег этого блока.

Примерный алгоритм поиска данных в кэш-памяти (приведен на рис. 4.11):

· формирование номера строки из величины конкретного адреса;

· доступ к нужному слову очень быстрый, так как известен адрес и точное нахождение слова в КЭШе (если оно имеется в КЭШе). Слово считывается из строки;

· проверка достоверности строки - заполнена ли требуемая строка;

· если строка достоверна, слово считывается из памяти и доставляется процессору, одновременно с этим устанавливается правильное ли это слово (проверка номера тега, т.е. имеется ли требуемая строка с нужным словом в кэш-памяти);

· если слова нет в кэш-памяти, то ведется его поиск в ОЗУ. При наличии коррекции информации в «старой» строке она переписывается в ОЗУ. Производится перезагрузка элемента кэш-памяти.

Простое отображение – простой и недорогой в реализации способ отображения. Основной его недостаток – жесткое закрепления за определенными блоками ОП одной строки кэш-памяти. Поэтому если программа поочередно обращается к словам из двух разных блоков, отображаемых на одну и ту же строку кэш-памяти, постоянно станет происходить обновление данной строки и вероятность попадания будет низкой.