Статьи по информатике
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голоса)

В останні роки тактова частота процесора збільшувалася декілька разів на квартал і вже досягла більше 3 Ггерц. Прогнозується, що й надалі вона буде швидко зростати. Але загальна продуктивність комп'ютера зростає неадекватно збільшенню тактової частоти процесора. Серед різних причин, які нега­тивно впливали на продуктивність комп'ютера, особливе значення мали порівняно низька частота системної шини й великий час доступу до основної (динамічної) пам'яті. Частота системної шини тривалий час була постійною і складала 133 Мгерц і тільки в останні часи вона поступово, але швидко зросла до 800 Мгерц. Відбулися суттєві зміни й у ме­тодах побудови динамічної пам'яті, які призвели до скорочення часу доступу до неї [1,2].

Іншим вагомим напрямком підвищення продуктивності комп'ютера було збільшення обсягу, швидкодії і ролі статичної та енергозалежної електронної пам'яті. Змінилась сама ідеологія організації взаємодії процесора з основною пам'яттю. Статична пам'ять стала буфером між ними і тим самим звела до мінімуму час очікування відповіді процесора з боку основної пам'яті. Важливе значення при цьому мали ефективні алгоритми кешування.

Зміни, які відбулися в методології побудови статичної пам'яті і організації її взаємодії з процесором, не знайшли оперативного висвітлення в навчальній та методичній літературі. У виданнях, розповсюджених у навчальних закладах [3, 4, 5], ці питання взагалі не розглядаються.

У наведеній статті аналізуються та узагальнюються методи побудови статичної пам'яті, розкривається механізм кешування, наведена класифікація електронної енергозалежної пам'яті та її сучасні типи. У процесі роботи над статею використана професійна література [6, 7, 8, 9].

Статична пам'ять

Статична пам'ять — SRAM (Static RAM) зберігає інформацію після запису доти, доки включена напруга живлення. Під час вимкнення живлення інформація руйнується. Принципова різниця статичної пам'яті від динамічної полягає в тому, що в ній не потрібно виконувати регенерацію даних. Швидкодія статичної пам'яті визначається технологією її виготовлення і схемотехнікою запам'ятовуючих комірок. Найшвидша SRAM має час доступу декілька наносекунд, що дозволяє їй працювати на частоті системної шини процесора, тобто процесор не витрачає тактів на очікування відповіді пам'яті.

Статична пам'ять порівняно з пам'яттю DRAM має високу вартість збереження одиниці інформації, низьку щільність розміщення елементів, високе енергопостачання, що не дозволяє використовувати її як основну пам'ять комп'ютера. Вона виготовляється у вигляді мікросхем, які використовуються Е основному для побудови зовнішнього (L2) кеша.

Комірка пам'яті

Комірки статичної пам'яті реалізуються на тригерах — елементах із двома стійкими станами. Функціональна схема комірки пам'яті зображена на рис. 1. Транзистори ТІ і Т2 діють як перемикачі, які можуть відкриватися і закриватися під управлінням сигналу на лінії адреси. Інвертори створюють засувку. Коли на лінії адреси діє низький потенціал (потенціал землі), то транзистори включені і стан засувки не змінюється. Будемо враховувати, що комірка знаходиться в стані одиниця, якщо значення сигналу в точці А дорівнює логічній одиниці, а в точці В — логічному нулю. Цей стан буде зберігатися доти, доки на лінії адреси діє сигнал на рівні «земля».

D

 

D1

 

Рис. 1

Для читання інформації із комірки подається сигнал на лінію адреси, унаслідок чого закриваються транзистори ТІ і Т2. При цьому, якщо комірка була в стані одиниці, на лінії d з'явиться високий рівень сигналу, а на лінії dl — низький. Якщо комірка була в протилежному стані, то навпаки, на лінії d буде низький рівень сигналу, а на лінії dl — високий.

Для запису інформації в комірку на лінію даних d подається сигнал певного значення, а на лінію dl — його протилежне значення. Потім надходить сигнал на лінію адреси.

Найчастіше комірки статичної пам'яті реалізуються на КМОП — мікросхемах, у яких для кожного інвертора перемички потрібно 2 інвертори.

Типи статичної пам'яті

Існує три типи статичної пам'яті.

1. Асинхронна пам'ять Async SRAM. Мікросхеми цієї пам'яті мають найпростіший інтерфейс, подібний інтерфейсу DRAM, який містить шини адреси, шини даних і управління. Час доступу мікросхем складає 12,15 або 20нс.

2. Синхронна пакетна пам'ять Sync Burst SRAM. Мікросхеми пам'яті мають час доступу 8.5, 10 або 13.5 нс. Додатково до сигналів, що використовуються в асинхронній статичній пам’яті (шини адреси, шини даних, CS, OE, WE), у мікросхемі використовується сигнал CLC (Clock) для синхронізації з системною шиною і сигнали управління пакетним циклом.

3. Синхронна конвеєрна пакетна пам’ять PB SRAM (Pipelined Burst SRAM), яка є удосконаленою Sync Burst SRAM. Інтерфейс мікросхеми PB SRAM аналогічний інтерфейсу мікросхеми Sync Burst SRAM. Час доступу мікросхем складає 12, 13 або 15 нс.

Структура пам’яті.

З окремих мікросхем може створюватися система статичної пам’яті великих обсягів. Методи організації такої пам’яті принципово не відрізняються. (див. [1]).

На рис.2 зображено приклад побудови пам’яті, яка складається із 2М (221=2097152) слів по 32 біта кожне, на основі мікросхем статичної пам’яті структури 512К*8. система містить 16 мікросхем, організованих в чотири рядки по 4 мікросхеми в кожному. Кожний стовпець має 2М однобайтових слів. Чотири рядки містять 2М*32 слів. Кожна мікросхема має вхід CS (Chip Select), на який подається сигнал вибору мікросхеми. Мікросхема може приймати дані або видавати їх на свої виходи тільки за умови наявності цього сигналу. У кожний окремий момент часу тільки одна мікросхема рядка розміщує дані на вихідних лініях, вихідні лінії інших мікросхем рядка у цей час заблоковані.

Із 21 розряда адреси два старших розряди визначають, який один із чотирьох сигналів CS буде вироблено, а інші 19 розрядів слугують для визначення конкретних байтів певних розрядів. Сигнали W/R подаються одночасно на всі мікросхеми. На рис.2 вони не зображені.

A1

 

A2

 

Рис.2.

Кеш- пам’ять.

На мікросхемах статичної пам’яті звичайно будується зовнішня кеш - пам’ять. Кеш - пам’ять називають ще над оперативною пам’яттю. Функції кеш-контролера виконує чіп сет. Мікросхеми організуються в банки пам’яті. Кількість мікросхем у банку має відповідати розрядності системної шини процесора. Банків пам’яті може бути декілька, заповнюються вони мікросхемами. одного типу. Кількість заповнених банків задається джемперами або визначається автоматично.

Мікросхеми асинхронної пам’яті звичайно виготовляються в DIP — корпусах із 8-бітною організацією, які встановлюються в спеціальні „краватки” на системній платі.

Мікросхеми синхронної пам’яті звичайно мають розрядність 16 біт (18 з паритетом) або 32 біт (36 з паритетом). Банки пам’яті для процесора Pentium збираються з двох або чотирьох мікросхем. Крім того, для процесорів Pentium розповсюджені модулі COAST (Cache On A Stick), які встановлюються у спеціальній слот. На цих модулях можуть розміщуватися асинхронні мікросхеми Async SRAM і синхронні Sync Burst SRAM, PB SRAM.

Нарешті, для кеш фіксованого обсягу пам’яті мікросхеми запаюються на системній платі, що не потребує додаткових роз’ємів і модулів.

Кеш - пам’ять слугує буфером між процессором і основною пам’яттю. Необхідність кеш - пам’яті обумовлена тим, що швидкодія процесора в десятки разів перевищує швидкодію основної пам’яті. Унаслідок чого процесор очікує відповіді пам’яті декілька тактів і знижується ефективність роботи компра. Кеш - пам’ять працює на частоті системної шини процесора і тим самим не затримує його роботу. Функціональна схема взаємодії процесора з основною пам’яттю зображена на рис.3

Рис.3.

Розглянемо детальніше механізм кешування. Установлено, що в процесі виконання різних програм більшу частину часу в них виконуються підпрограми і команди, які багаторазово викликаються і які входять до складу простих та вкладених циклів. Таким чином, у програмах наявні локалізовані області, що неодноразово виконуються протягом певного проміжку часу, а доступ до останньої частини програми здійснюється порівняно рідко. Ця властивость програм називається локалізацією посилань.

Локалізація посилань здійснюється і за часом, і в просторі. Локалізація за часом визначає, що команди, які виконувалися недавно, найімовірніше будуть виконуватися знову. Локалізація в просторі визначає більшу ймовірність того, що скоро будуть виконуватися команди, які розміщені близько від виконуваних у цей час.

Схеми управління пам'яттю розробляються з урахуванням властивості посилань. Виходячи із принципу локалізації за часом, у кеш копіюються команди і дані й зберігаються там до тих пір, поки будуть потрібні знову. Виходячи із принципу локалізації в просторі, у кеш копіюються не тільки поточний фрагмент програми або даних, але ще й близько розміщені. Такі фрагменти з послідовними адресами певного розміру називають блоком або рядком кеша.

Якщо тепер процесор звернеться за цими командами або даними, то вони будуть пересилатися до нього безпосередньо з кеш-пам'яті. Звичайно, у кожний окремий момент часу в кеші може зберігатися значна кількість блоків. Коли кеш заповнено і здійснюється звернення до відсутніх у ньому даних, схеми управління кешем вирішують, який блок необхідно видалити, щоб прийняти новий. Для цього існують спеціальні алгоритми заміщення.

Розглянемо сутність взаємодії процесора з пам'яттю. Процесор указує адресу основної пам'яті й операцію (читати, записувати). У відповідь схема управління кешем виясняє, чи є в ньому необхідне слово. Якщо є, то в процесі виконання операції читання або запису бере участь саме це слово й у цьому випадку кажуть, що є попадання в кеш. При цьому для виконання операції читання звернення до основної пам'яті взагалі не буде. Операція запису може виконуватися одним із двох способів: перший спосіб — кеш і основна пам'ять оновлюються одночасно (суцільний запис); другий спосіб — дані розміщуються в кеш і помічаються спеціальним бітовим прапорцем, а в основну пам'ять вони поступають тоді, коли із кеша буде видалятися блок, який містить слово з бітовим прапорцем (зворотний запис).

Якщо ж під час виконання операції читання виявиться, що в кеші відсутнє необхідне слово (промах читання), то з основної пам'яті в кеш копіюється блок, який містить таке слово. Після завантаження блоку із кеша в процесор поступає слово, що запрошувалося. Можливе також одночасне завантаження слова в кеш і в процесор (такий варіант називають суцільним завантаженням).

Припустимо тепер, що під час виконання операції запису в кеші відсутнє слово, що адресується (ситуація називається промахом запису). Тоді у разі використання протоколу суцільного запису інформація записується прямо в основну пам'ять, а у разі використання протоколу зворотного запису в кеш спочатку копіюється блок, який містить необхідне слово, а потім це слово перезаписується в кеш із бітовим прапорцем.

Є різні методи заповнення блоків кеша блоками основної пам'яті, які називають функціями ві­дображення. Розглянемо один із них, який отри­мав назву множинно-асоціативного відображен­ня. Саме цей метод використовується в процесо­рах Pentium 3 і Pentium 4.

Припустимо, що обсяг кеш-пам'яті дорівнює 2К (128 блоків по 16 слів), а обсяг основної пам'яті дорі­внює 64 К (4096 блоків по 16 слів). Будемо вважати, що 128 блоків кеша розбиті на 64 множини, тобто по 2 блоки в кожній множині (рис. 4). За множинно-асоціативним методом будь-який блок основної пам'яті може розміщуватися в будь-якому блоці певної множини. Для прикладу, що розглядається, у блоці кеш множини 0 можуть розміщуватися блоки О, 64, ..., 4032 основної пам'яті, у блоці кеш множини 1 — блоки основної пам'яті 1, 65, ..., 4033, а в блоки кеш множини 63 — блоки основної пам'яті 63,127, ...,4095.

У процесі виконання програми процесор генерує адреси слів основної пам'яті, для чого потріб­но 16 розрядів (2116=64К). Оскільки обмін інформацією здійснюється блоками по 16 слів, то для реалізації функції відображення достатньо 12 розрядів. При цьому 6 старших розрядів визначають номер блоку в пам'яті. У ході запису блоку в кеш вони вказуються в спеціальному полі те-га (дескрипторі). Шість наступних розрядів адреси визначають номер множини. Структура адреси основної пам'яті зображена на рис. 5.

Тег

Множина

Слово

6

6

4

Рис. 5

Отже, коли процесор генерує адресу слів основної пам'яті, то 6 старших розрядів цієї адреси порівнюються з бітовими тегами кеша. Якщо співпадіння виявлено, то це означає, що блок, який містить необхідне слово, уже наявний у кеші і його пересилання не потрібно.

Заміна блоків у кеші новими блоками основної пам'яті відбувається тільки тоді, коли кеш заповнений повністю. Для цього існує значна кількість алгоритмів заміщення. Один із них заснований на принципі видалення блоку, до якого довше всього не було звернень (алгоритм LRU). Для реалізації цього алгоритму контролер кеша відслідковує звернення до всіх блоків кеша.

Процесори сімейства Pentium, як правило, оснащені кеш-пам'яттю двох рівнів. Наприклад, у процесорі Pentium 3 кеш першого рівня (L1) вбудована в процесор. Ця пам'ять складається із 16 Кбайт кеша-команд і 16 Кбайт кеш-даних. Кеш другого рівня (L2) у деяких модифікаціях Pentium 3 також вбудований у процесор (обсяг 256 Кбайт), а в інших модифікаціях — вона зовнішня (обсяг 512 Кбайт). Відзначимо, що зовнішні кеші мають більший обсяг пам'яті, однак вони мають меншу тактову частоту. Внутрішні кеші мають більшу швидкодію, однак вони збільшують габарити процесора.

У процесорі Pentium 4 може бути до трьох рівнів кеш-пам'яті. Кеш першого рівня вбудований і складається з окремих кеш-команд і 8 Кбайт кеша даних. Розмір блоку — 64 байта. Кеш другого рівня обсягом 256 Кбайт також внутрішній. Розмір блоку — 128 байт. Архітектура процесора дозволяє додати в мікросхему і кеш рівня L3. Цей кеш використовується в процесорах серверних систем.

Електронна енергонезалежна пам'ять

Енергонезалежна пам'ять — це пам'ять, яка зберігає інформацію після вимкнення напруги живлення. Прикладами енергонезалежних запам'ятовуючих пристроїв є магнітні та оптичні диски. Однак ці пристрої не вирішують усіх проблем забезпечення працездатності комп'ютера. Для цього використовується ще електронна енергонезалежна пам'ять, яка порівняно з вінчестером має невеликий обсяг.

Електронна енергонезалежна пам'ять (ЕЕП) використовується, наприклад, для початку завантаження операційної системи з вінчестера в оперативну пам'ять. Ця пам'ять використовується також у системах, убудованих у комп'ютер, наприклад, для забезпечення роботи таймера.

Найхарактерніша риса ЕЕП полягає в тому, що у звичайному робочому стані інформація до неї не записується, а тільки читається, тобто основним режимом роботи такої пам'яті є зчитування даних. Тому ця пам'ять отримала загальну назву — пам'ять тільки для читання (Read Only Memory, ROM).

Існують різні типи енергонезалежної електронної пам'яті. В основному вони відрізняються способами запису інформації. Запис інформації в ЕЕП звичайно називають програмуванням і він набагато складніший і триваліший, ніж зчитування. Тому ЕЕП використовується в основному для збереження інформації, яка не змінюється або змінюється рідко, наприклад, програми BIOS, таблиці знакогенераторів графічних адаптерів та ін.

Електронна енергонезалежна пам'ять виготовляється у вигляді мікросхем. За можливостями програмування розрізняють такі типи мікросхем:

— мікросхеми, які програмуються тільки один раз під час виготовлення (ROM); — мікросхеми, які програмуються на спеціальних програматорах одноразово після їх виготовлення (Programmable ROM, PROM);

— мікросхеми, які ультрафіолетовим променем стираються і програмуються багаторазово (Erasable PROM, EPROM). Програмування можливе в комп'ютері у разі підключення до нього програматора, а також окремо на зовнішньому програматорі;

— мікросхеми, які стираються електричним спосо­бом і програмуються багаторазово (Elecric Erasable PROM, EEPROM і флеш-пам'ять). На рис. 6 наведена класифікація електронної енергонезалежної пам'яті. Як основну класифікаційну ознаку обрано можливість перепрограмування.

Рис. 6

Одноразово програмовані мікросхеми дозволяють змінювати тільки початковий стан комірок, тобто стан після їх виготовлення. Можливе стирання всієї мікросхеми, певного блоку або байта. Основними параметрами ЕЕП є стійкість до електромагнітних полів і максимальна кількість циклів перепрограмування.

Крім енергонезалежної напівпровідникової пам'яті у цей час розробляється новий вид енергонезалежної пам'яті — фероелектрична пам'ять (Ferroelectric RAM, FRAM), яка вважається дуже перспективною. Уже розроблені 16-Мбітні мікросхеми.

ROM, PROM і EPROM — пам'ять

Основу ROM пам'яті складає комірка, спрощена схема якої зображена на рис. 7. Відсутність перемички П відповідає одиничному стану комірки, наявність перемички — нульовому стану. В останньому випадку транзистор Т з'єднаний із землею. Стан перемички П встановлюється під час виготовлення мікросхеми.

Для читання інформації з комірки подається сигнал на лінію даних. При цьому транзистор закривається і, якщо є перемичка П, то напруга на лінії даних

Знижується майже до нуля. При відсутності перемикача П на лінії даних залишається висока напруга (логічна одиниця). Схема зчитування, яка підключена до лінії даних, фіксує певне значення сигналу.

Дані

 

Рис.7

Мікросхеми типу ROM не піддаються впливу електромагнітних полів, недоступні до несанкціонованої зміни інформації і мають серед ЕЕП найвищу швидкодію (час доступу 30-70 не). Однак, у зв'язку з неможливістю модифікації інформації, нині вони практично не використовуються.

Мікросхеми типу PROM використовуються для збереження BIOS і в графічних адаптерах. Програмування здійснюється тільки за допомогою спеціальних програматорів. На системних платах мікросхеми розміщуються в спеціальних «ліжечках». Як і мікросхеми типу ROM вони стійкі до електромагнітних полів і до несанкціонованого доступу.

Мікросхеми типу EPROM програмуються не тільки на програматорах, але і в комп'ютерах при його підключенні до зовнішнього програматора. Стирання інформації здійснюється ультрафіолетовим променем протягом декількох хвилин. Одночасно стираються всі комірки мікросхеми. Час доступу — від 50 до 250 не. Найбільш масовими були 8-бітні мікросхеми обсягом від 2 до 256 Кбайт. Мікросхеми EPROM до недавнього часу були основним носієм BIOS, а також використовувалися як знакогенератори.

Спеціально для стирання інформації в мікросхемах передбачені скляні віконця, які після програмування необхідно заклеїти, щоб не попадали сонячні або люмінесцентні промені. Це оберігає мікросхему від випадкового стирання.

Розповсюджені програматори EPROM мають інтерфейс підключення до СОМ - або LPT-порту, або підключаються через власну карту розширення. Швидкодія запису сягає приблизно 8 Кбайт за хвилину. Запис може виконуватися в будь-яку частину мікросхеми побайтно. Мікросхеми типу EPROM виготовляються в корпусах DIP, PLCC і TSOP.

EEPROM-пам'ять

Основна перевага мікросхем типу EEPROM полягає в тому, що для перепрограмування не потрібно знімати їх із комп'ютера. Стирання і запис інформації здійснюється електричними сигналами. Крім того, зміну інформації можна виконувати вибірково, залишаючи незмінною іншу частину. Зовнішній вигляд мікросхеми типу EEPROM зображено на рис. 8.

Флеш-пам'ять

Флеш-пам'ять подібна пам'яті типу EEPROM Стирання і запис також здійснюється електричними сигналами. Зчитувати комірки можна по одній, а записувати — тільки блоками. Час доступу для читання 35-200 нс. Порівняно з пам'яттю EEPROM флеш-пам'ять має більшу щільність комірок, більшу ємність, меншу вартість у перерахунку на біт. Завдяки своїй економічності вона знайшла широке використання в портативних системах, що працюють від батарейок (стільникові телефони, кишенькові комп'ютери, цифрові відеокамери, МРЗ-плейєри та ін.). Декілька мікросхем розміщуються на модулях, які отримали назву флеш-карти.

Флеш-карти мають стандартний інтерфейс, що дозволяє використовувати їх у різних пристроях. Розповсюджені карти обсягом 8, 32, 64 і 128 Мбайт (для збереження однієї хвилини музичного запису у форматі МРЗ необхідно близько 1 Мбайт пам'яті).

Використовуються також модулі флеш-дисків, які призначені для заміни жорстких дисків і можуть вставлятися в їхні відсіки. Обсяг пам'яті не менше 1Гбайт. Вони стійкі до вібрації, не мають механічних пристроїв, споживають менше енергії, мають менший час пошуку і доступу порівняно з вінчестерами. Однак вартість збереження одиниці інформації більша.

Література

1. Руденко В. Д. Концепція побудови та класифікація пам'яті комп'ютера // Комп'ютер у школі та сім'ї'. — 2003. — №4. — С.7-10.

2. Руденко В. Д. Динамічна пам'ять//Комп'ютер у школі та сім'ї. — 2003. — №5. — С. 3-8.

3. Глинський Я. М. Інформатика: Навч. посібник для учнів 8-11 кл. середи, шк.: У 2-х кн. — Кн. 2. Інформаційні технології. — Львів: Деол, 2001. — 256 с.

4. Інформатика: Навч. посібн. для 10-11 кл. середи, загальноосвітн. шкіл / І. Т. Зарецька, Б. К. Колодяжний, A. M. Гуржій, О. Ю. Соколов. — К: Форум, 2001. — 496 с.

5. Руденко В. Д., Макарчук О. М., Патланжоглу М. О. Комп'ютер та його програмне забезпечення. Курс інформатики (частина 1)/Заред. МадзігонаВ. М., ВиковаВ. Ю. — К: Фенікс, 2001. — 370 с.

6. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия — СПб: Издательство «Питер», 2000. — 816с.

7. Организация ЭВМ. 5-е изд. / К. Хамахер, 3. Вранешич, С. Заки. — СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2003. — 848 с.

8. Колесниченко О. В., Шишигин Й. В. Аппаратные средства. — 4-е изд., перераб. и доп. — СПб-Петербург, 2001. — 1024с.

9. Бьістро й легко. Сборка, диагностика, оптимизация й апргейд современного компьютера.: Практ. пособ. —М.: Лучшие книги, 2000. — 352 с.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

По темам:

История Украины

Культурология

Высшая математика

Информатика

Охотоведение

Статистика

География

Военная наука

Английский язык

Генетика

Разное

Технологиеские темы

Украинский язык

Филология

Философия

Химия

Экология

Социология

Физическое воспитание

Растениевосдство

Педагогика

История

Психология

Религиоведение

Плодоводство

Экономические темы

Бухгалтерские темы

Маркетинг

Иностранные языки

Ветеринарная медицина

Технические темы

Землеустройство

Медицинские темы

Творчество

Лесное и парковое хозяйство