Основные принципы организации памяти ВС

С точки зрения системы команд память - это набор слов, каждое из которых имеет уникальный адрес, показывающий расположение слова в памяти. Концепция адресов памяти эквивалента концепции телефонных номеров. Каждый телефон имеет свой собственный номер в некотором поле возможных номеров. Подобно этому каждая ячейка памяти имеет адрес, который определяет модуль памяти и расположение ячейки в этом модуле.

Каждое слово памяти содержит один или более адресуемых байт. Количество адресуемых байт определяется разрядностью микропроцессора. Например, восьмибитные микропроцессоры имеют байтовую организацию памяти. За одно обращение микропроцессор может обработать только один байт информации. Шестнадцатиразрядные микропроцес­соры могут обращаться к одному или двум байтам одновременно. Современные 32-разрядны микропроцессоры могут работать с 32-разрядными словами 16-разрядными словами и 8-разрядными байтами. Поэтому память для этих микропроцессоров организована таким образом, чтобы допускать обращение к одному, двум или четырем байтам одновременно. Количество адресуемых ячеек памяти зависит от количества бит шины адреса микропроцессора. 8-ми разрядные микропроцессоры и микроконтроллеры имеет 16 битную шину адреса позволяя адресовать 64-Кбайт памяти. 16- разрядные микропроцессоры позволяют адресовать несколько мегабайт памяти. Наконец, современные микропроцессоры используют 64-разрядную шину адреса, что позволяет адресовать фактически бесконечный объем памяти.

Под памятью цифровых вычислительных систем понимают совокупность технических средств, предназначенных для приема (записи), хранения и выдачи (считывания) информации, представленной двоичным кодом.

Основными характеристиками запоминающих устройств (ЗУ) являются:

§ информационная емкость, определяемая максимальным объемом хранимой информации в битах или байтах;

§ быстродействие, характеризуемое временем выборки информации из ЗУ и временем цикла обращения к ЗУ с произвольным доступом или временем поиска и количеством переданной в единицу времени информации в ЗУ (или из ЗУ) с последовательным доступом;

§ энергопотребление, определяемое электрической мощностью, потребляемой ЗУ от источников питания в каждом из режимов работы;

§ стоимость хранения информациив расчете на один бит;

§ энергонезависимость, то есть сохраняется ли информация в ЗУ после выключения электропитания;

§ а также надежность, масса, габаритные размеры и др.

Развитие средств вычислительной техники связано с устойчивой тенденцией увеличения информационной емкости и быстродействия вычислительных систем. Память современных универсальных компьютеров должна иметь информационную емкость 10⁷..10¹² байт при времени выборки 2…20 нс. Эти параметры должны сочетаться с высокой надежностью, низкой стоимостью, малым энергопотреблением и приемлемыми массой и габаритными размерами. На современном уровне развития техники невозможно реализовать память с требуемыми параметрами в виде единого устройства, поэтому ЗУ современных вычислительных систем имеют многоуровневую иерархическую структуру, позволяющую в определенной мере удовлетворить всем предъявляемым требованиям. Непосредственно связанные с процессором модули памяти составляют верхние уровни иерархии. Они имеют максимальное быстродействие, но относительно малую информационную емкость. На остальных уровнях иерархии модули памяти располагаются по мере увеличения информационной емкости и связанного с этим уменьшения быстродействия. Запоминающие устройства верхних уровней иерархической памяти образуют внутреннюю память, а ЗУ нижних уровней – внешнюю память компьютеров.

Система памяти, состоящая из различных по техническим характеристикам модулей ЗУ, с точки зрения пользователя должна функционировать как единый блок памяти, обладающий быстродействием, близким к быстродействию верхнего уровня, и емкостью нижних уровней. Практически даже при самой эффективной организации обмена информацией между уровнями невозможно избежать потерь времени при обращении к данным, размещенным на нижних уровнях, что непосредственно сказывается на производительности вычислительной системы. Тем не менее в силу технических ограничений, связанных в основном с возможностями элементной базы, в настоящее время не существует альтернативных решений, позволяющих строить одноуровневые системы памяти.

Для построения ЗУ современных ЭВМ используется обширный арсенал технических средств.

По виду носителя информации ЗУ могут быть: ферромагнитные, электромагнитные, сегнетоэлектрические, оптические, ультразвуковые, на основе сверхпроводимости и электронные. Среди последних значительное место занимают полупроводниковые ЗУ, выполненные в виде микросхем – основной элементной базы внутренних ЗУ современных вычислительных систем.

Скорости работы процессоров значительно увеличиваются из года в год. В результате, проектирование запоминающих систем, которые могут передавать информацию без задержек процессора, становится более трудным. Кристаллы полупроводниковой памяти с короткими временами доступа очень дороги. Альтернативой построения памяти большой емкости из дорогих высокоскоростных кристаллов является использование маленькой высокоскоростной памяти, чтобы сохранять информацию, наиболее вероятно используемую процессором, в то время как остальная информация хранится в основной памяти. Основная память может быть построена на менее быстродействующих и поэтому менее дорогих кристаллах памяти. Быстродействующая память небольшого объема называется кэшем.

Обращения к памяти часто показывают свойство, называемое локализацией. Пространственная локализацияобращенияозначает, что, если обращаются к ячейке ЗУ, то имеется высокая вероятность, что следующее обращение будет к следующей ячейке памяти. Программы имеют тенденцию показывать высокую степень пространственной локализации, потому что команды выбираются от последовательных ячеек ЗУ, пока не происходит ветвления. Временная локализация означает, что, если обратились к некоторому адресу памяти, то имеется высокая вероятность, что к этому адресу будут обращаться снова в ближайшем будущем. Данные часто показывают хорошую временную локализацию так же, как и команды, которые содержатся в циклах.

Кэш память использует локализацию обращений к памяти, помещая в высокоскоростной памяти копию области оперативной памяти, которая наиболее вероятно будет затребована процессором. Каждое обращение к памяти выполняется сначала как обращение к кэшу. Если требуемая информация там, считают, что происходитудачное обращение к кэшу, и информации быстро передается в процессор. Если происходитнеудачное обращение к кэшу, то есть, если информация не найдена в кэше, то нужно обратиться к более медленной оперативной памяти.

Среднее время обращения к памяти при наличии кэша определяется формулой:

T_access = H T_cache + (1 - H) (T_cache + T_main),

где H - коэффициент совпадения кэша, то есть процент удачных обращений к кэшу; T_cache, и T_main - времена доступа к кэшу и основной памяти, соответственно.

Например, запоминающая система с коэффициентом совпадения 90 % с T_cache = 20нс и T_main = 100нс имела бы среднее время обращения T_access = 30нс, которое является намного ближе к таковому для кэш - памяти, чем для более медленной основной памяти.

Записи в память в системах с кэш-памятью могут быть обработаны двумя различными способами. При использовании способа запись через кэш (write through), каждый элемент записывается непос­редственно в основную память в каждом цикле записи, кэш модифици­руется одновременно. При использовании способа обратной записи (write back) все записи делаются только в кэш, оставляя кэш и содержание оперативной памяти, временно неодинаковыми. Позже, когда информация в кэше должна быть заменена, все измененные элементы кэша копируются назад в оперативную память. Это уменьшает общее количество обращений к основной памяти.