Статическая память

Основная память ПК реализована на относительно медленной динамической памяти, обращение к которой приводит к простою процессора, т.е. появляются такты ожидания. SRAM организована также, как динамическая память - по модульно-разрядному принципу, и построена на триггерах. Эта память по своей природе способна догнать (по быстродействию) современные МП и сделать ненужными такты ожидания ли сократить их до минимума. Запоминающий элемент построен минимум на 6 биполярных транзисторах. По сравнению с динамической памятью быстродействие SRAM намного выше, а плотность ее намного ниже и цена довольно высока. Более низкая плотность означает, что микросхемы SDRAM имеют большие габариты, а информационная емкость их намного меньше. Так, например, размеры модулей емкостью в 64 Мб DRAM и в 2 Мб SRAM будут одинаковы, и примерно одинаковой будет их стоимость – т.е. примерно в 30 раз SRAM больше размеров DRAM.

Все это не позволило использовать память типа SRAM в качестве основной памяти в современных ПК.

Статическая память – это высокоскоростная память, ячейки ее имеют более сложную архитектуру, но они достаточно просты в управлении и не требуют регенерации.

Такая быстродействующая память нашла применение в качестве СОЗУ (КЭШ), являющейся быстродействующим дополнительным хранилищем копий блоков основной памяти, вероятность обращения которым в ближайшее время наиболее велика и эти обращения чаще всего многократные.

Кэш-память является буфером между основной памятью и МП. Эта память неадресуема, прозрачна для пользователя, и не может хранить копию всей основной памяти, т.к. ее емкость во много раз меньше. Она хранит лишь ограниченное количество блоков данных основной памяти и их каталог (список их текущего соответствия областям основной памяти). Кэшироваться может необязательно вся память, доступная процессору. Это зависит от максимальной емкости кэшируемой памяти и от набора чипсет, который установлен на данной материнской плате.

Для построения кэш-памяти необходимо три типа микросхем:

1. микросхемы кэш-данных

2. микросхемы кэш-контроллера

3. микросхемы кэш-памяти адресов (Tag RAM)

В современных ПК кэш строится по двух- или трехуровневой схеме.

При двухуровневой кэш-памяти кэш первого уровня L1 называется внутренним (впервые применен в 486 процессорах), а кэш L2 – внешним (начиная с микропроцессоров 386)

В кэш памяти информация размещается в виде строк фиксированной длины и этими строками оперирует контроллер КЭШа. С каждой строкой кэш-памяти связана информация об адресе скопированного в нее блока и ее состоянии.

Строка может быть действительной – это означает, что в текущий момент времени она достоверно отображает соответствующий блок основной памяти; и недействительной.

Информация о том, какой именно блок занимает данную строку (старшая часть адреса или номер страницы)и ее состоянии называется тегом и хранится в специальной ячейке, связанной с данной строкой и хранится в памяти, называемой памятью тегов.

в операциях обмена с основной памятью строка обычно участвует целиком. Размер строки, начиная с МП 486 и выше, совпадает с объемом данных, передаваемых за один пакетный цикл (для 486 4х4=16 байт, для Pentium8х4=32 байта).

Возможен вариант и секторированного КЭШа, в котором каждая строка разделяется на секторы, размер которых соответствует минимальной порции обмена данных КЭШа с основной памятью.

При работе Кэш памяти контроллер КЭШ памяти в первую очередь проверяет по каталогу, есть ли действительная копия затребованных данных в КЭШ. Если она там есть, то это случай КЭШ попадания. В этом случае данные для МП берутся из КЭШ памяти. Если действительных копий данных там нет, то это случай КЭШ промаха и данные в этом случае берутся из основной памяти. И в соответствии с алгоритмом кэширования блок данных, считанный из основной памяти, при определенных условиях замещает один из блоков КЭШа. Запись информации в кэш-память и поведение кэш-контроллера в режиме записи определяется двумя алгоритмами:

1. сквозная запись: (Write Trough – WT)

2. обратная запись (Write Beak – WB)

При сквозной записи одновременно выполняются операции записи и в строку КЭШа и в основную память. При этом МП приходится простаивать, пока закончится запись в основную память. Алгоритм такой записи достаточно прост, но он не эффективен.

При обратной записи уменьшается количество операций записи на шине основной памяти.

Если блок памяти, в который должна производится запись, отражен в КЭШе, то физическая запись сначала будет произведена в эту строку КЭШа, и она будут отмечена, как модифицированная, т.е. требующая выгрузки в основную память. В основную память данные будут переписаны целой строкой в свободное время. Алгоритм обратной записи более сложен в реализации, но намного эффективнее.

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

1. кэш-память прямого отображения

2. наборный, или частично ассоциативный кэш

3. полностью ассоциативный кэш

В кэш-памяти прямого отображения адрес памяти, по которому происходит обращение, однозначно определяет строку КЭШа, в которой может находиться требуемый блок. Поскольку объем основной памяти намного больше КЭШа, то на каждую строку может претендовать множество блоков памяти с одинаковой младшей частью адреса. Но в каждый момент одна строка может содержать копию только одного из этих блоков, а информация о том, какой именно блок занимает данную строку, хранится в памяти Tag. Такой кэш имеет самую простую аппаратную реализацию и применяется в кэш второго уровня в большинстве системных плат. Однако этой архитектуре присущ серьезный недостаток: если в процессе выполнения программы нужны будут блоки памяти, смещенные друг относительно друга на величину, кратную размеру страницы, то кэш будет работать интенсивно, но в холостую.

В случае наборно-ассоциативной архитектуры каждому блоку кэшируемой памяти будет соответствовать несколько строк КЭШа, объединенных в набор. Наборно-ассоциативный кэш позволяет каждому блоку кэшируемой памяти претендовать на одну или несколько строк КЭШа, объединенных в набор.

В простейшем случае каждый блок памяти может быть помещен в одну из двух строк. в этом случае есть несколько параллельно а согласованно работающих каналов прямого отображения, где контроллеру кэш-памяти необходимо принимать решение о том, в какую из строк набора помещать очередной блок данных.

Наборно-ассоциативный кэш широко применяется для построения первичного (внутреннего) КЭШа. В отличие от предыдущих архитектур у полностью ассоциативного КЭШа любая строка может отображать любой блок памяти, что существенно повышает эффективность использования ограниченного объема кэш-памяти. реализация такой архитектуры является достаточно сложной аппаратной задачей и используется обычно для построения внутренней кэш-памяти небольших объемов.

Эффективность использования кэш-памяти определяется коэффициентом совпадений (коэффициент успеха). Коэффициент совпадения равен отношению количества удачных обращений к кэш-памяти к общему количеству обращений. Для построения кэш-памяти используются следующие микросхемы кэш-памяти:

1. асинхронные SRAM

2. синхронные SRAM

3. пакетно-конвейерная статическая память PB SRAM (Pipe Line Burst SRAM)

Асинхронная статическая память имеет простейший асинхронный интерфейс, подобный и интерфейсу DRAM, включающий шину адреса, шину данных и сигналы управления: CS#, OE#, BE#, т.е. сигналы выбора микросхемы, чтения, записи. Эти микросхемы называются стандартными микросхемами, время доступа таких микросхем 12 нс, 15, 20 нс и при тактовой частоте в 33 МГц имеют наилучший пакетный цикл 2-1-1-1. При более высоких тактовых частотах временная диаграмма имеет вид 3-2-2-2. Синхронная пакетная статическая память создана для выполнения пакетного обмена, свойственного кэш-памяти. В ее структуру веден внутренний двухбитный счетчик адреса. Этот счетчик адреса не позволяет перейти границу четырехэлементного пакетного цикла. Для синхронной памяти время доступа 8,5 нс, 10, 13 нс. При тактовой частоте 50, 60, 66МГц системная шина обеспечивает лучший пакетный цикл 2-1-1-1. При тактовой частоте в75 Мгц и выше временная диаграмма становится 3-2-2-2. Интерфейс является синхронным с тактовой частотой системной шины. В PB SRAM конвейером является дополнительный внутренний регистр данных, который, требуя дополнительного такта в первой пересылке, но позволяет остальные данные получать без тактов ожидания на частотах 75 МГц и выше. Время доступа в таких микросхемах от 4,5 до 8 нс и наилучший пакетный цикл 3-1-1-1. Для системных плат с socket5 и socket7 были распространены модули coast (cache on a stich).

Это небольшой модуль с двухсторонним разъемом, устанавливаемым в спецслот. Модуль содержит собственно кэш-память необходимой разрядности (синхронную PB SRAM и асинхронную память Тегов). Напряжение питания в первых микросхемах было +5В, а затем стало 3,3В.

Энергонезависимая память

Эта память хранит записанные данные и при отсутствии питающего напряжения. Существует множество видов энергонезависимой памяти:

1. Однократно программируемые ЗУ (ROM, PROM)

2. Многократно программируемые ЗУ (EPROM, EEPROM, Flash, которые различаются по способу стирания информации. В EPROM стирание информации осуществляется рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами, а в EEPROM и Flash – электрическими лучами).

Запись информации в постоянную память называется программированием. Этот режим значительно сложнее и требует больших затрат энергии и времени, чем считывание.

Запись информации осуществляется в перепрограммирующих устройствах вне режима решения задач.

В EPROM и некоторых микросхемах EEPROM микросхемы программируются с помощью специальных устройств, называемых программаторами. Они могут работать в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах.

Энергонезависимая память в ПК работает только в режиме чтения информации. Однократно программируемые ЗУ делятся на два вида: Микросхемы ROM однократно программируются при изготовлении. Их иногда называют масочными ПЗУ. Содержимое таких микросхем определяется рисунком технологического шаблона. Такие микросхемы обычно выпускались в большом количестве с одной и той же прошивкой. PROM – это тоже однократно программируемые микросхемы, но они программируются непосредственно в условиях производства. Как и масочные микросхемы, микросхемы PROM нечувствительны к электромагнитным излучениям. До недавнего времени самыми распространенными микросхемами энергонезависимой памяти являлись носителями BIOS как на системных платах, так и в адаптерах – это микросхемы EPROM. Они имеют относительно простой интерфейс записи, и поэтому их можно программировать и на программаторах и в самом устройстве. Стирание информации осуществляется ультрафиолетовым излучением в течение нескольких минут. Для стирания информации на этих микросхемах имеются специальные окошки. Для микросхем емкостью, например, в 64 Кб, стирание длится в течение 5 минут. При стирании все биты приводятся в единичное состояние. Микросхемы, по виду и обозначению похожие на стираемые ультрафиолетовыми лучами, но без окна – микросхемы, в которых стирание производится рентгеновскими лучами (EPROM).

Для программирования (записи информации) этого типа микросхем требуется питающее напряжение от 12 до 26В

При напряжении в 5В и ниже никакая запись в этот тип микросхем невозможна (поэтому им никакой вирус не страшен)

Микросхемы EPROM допускают стирание информации каждого бита до 1000 раз. Микросхемы EEPROM – это микросхемы с электрическим стиранием информации, напряжение стирания – от 10 до 30В и длительность импульса стирания более 10-тка нс.

Такие микросхемы (EEPROM) чаще всего применяются в качестве энергонезависимой памяти конфигурирования различных адаптеров.

Современные микросхемы EEPROM имеют достаточно сложную внутреннюю структуру, в которую входит управляющий автомат.

Микросхемы EEPROM позволяют считывать и перезаписывать любую ячейку этой памяти. К микросхемам с электрическим стиранием информации относится также Flash-память.

Первые микросхемы Flash-памяти появились в 1992 году. И существует три поколения микросхем Flash-памяти, которые различаются по быстродействию, количеству перезаписи информации, по организации массива в режиме стирания. Стирание во flash-памяти в отличие от других видов памяти возможно блоками или полностью всей микросхемой.

Flash-память обладает сочетанием высокой платности упаковки, энергонезависимого хранения, электрического стирания и записи, низкого потребления энергии, высокой надежности и невысокой стоимости.

Каждая ячейка Flash-памяти состоит из 1-го полевого транзистора. Ячейки организованы в матрицу. Разрядность данных внешнего интерфейса 8 или 16 бит. При стирании все биты содержат 1. При программировании нужные биты обнуляются (как и в других видах памяти).

Чтение во Flash-памяти ничем не отличается от чтения любой другой памяти, т.е. подается адрес, и через некоторое время доступа на выходе появляются данные. Запись - для программирования каждого байта необходимо выполнять процедуру, происходит сложнее состоящую из операций записи и чтения, адресованных к микросхеме. Шинные циклы обращения не растянутые, а нормальные для МП, это позволяет перепрограммировать такие МП без извлечения их из устройства. Большинство микросхем Flash-памяти имеет интерфейс, аналогичный асинхронной статической памяти.

Первые микросхемы Flash-памяти требовали питающего напряжения 5В, а напряжение стирания 12В. Затем появились микросхемы с напряжением стирания 5В. в последующих поколениях напряжение питания снизилось до 3,3; 2,7; 2,2; 1,65В и такими же были напряжения стирания.

Каждая ячейка Flash-памяти состоит всего из одного полевого транзистора. Ячейки организованы в матрицу. Разрядность данных внешнего интерфейса 8 или 16 бит. Чистые, т.е. стертые ячейки содержат единицу во всех битах. При программировании ячейки обнуляются.

По организации и программированию можно выделить три поколения Flash-памяти. Микросхемы первого поколения включают в себя:

28F256

28F512

28F010

28F020

они представляют собой единый массив памяти, стираемой целиком. Для выполнения стирания и записи эти микросхемы имеют внутренний регистр команд и управляющий автомат WSM. стирание (программирование) возможно при подаче напряжения 12В по командам, записываемым во внутренний регистр по сигналам WE. При подаче более низкого напряжения стирание и программирование невозможны. Первое поколение микросхем имело цикл повторения стирания-записи равное 10 000.

Микросхемы второго поколения группируются в блоки, допускающие их независимое стирание. Разбиение на блоки может быть асимметричным и симметричным. Эти микросхемы имеют более сложный управляющий автомат и регистр состояний. Отработка операций внутренним управляющим автоматом отображается соответствующими битами регистра состояний, по значению которых внешняя программа может получить информацию о результате выполнения и возможности отправки следующих команд. Для программирования и стирания в случае асимметричных блоков требуется напряжение 12В, а в симметричных блоках возможно снижение этого напряжения до 5В. В случае симметричного разбиения Flash-память организована в виде набора одинаковых блоков, равноправных по защите. Например, микросхема 28F016SA. Эти микросхемы имеют два буфера данных по 256кб. Кроме обычного побайтного или двухбайтного программирования возможно быстрое заполнение буфера шинными циклами записи. Стирание всех незащищенных блоков может выполняться одной командой. Микросхема 28F032SA представляет собой два параллельно соединенных кристалла в одном корпусе 28F016SA. Третье поколение современных микросхем выполняется по технологии Smart Voltage и допускает напряжение стирания и программирования как 5, так и 12В, а напряжения для чтения понижено до 3,3 и 2,7В. Обозначение микросхем Flash-памяти Intel начинается с признака 28F, за которым следует трехзначный код обмена (см. таблицу 1), а за ними два символа технологии и архитектуры: B5, BC, BX, BR.

Boot Block – асимметричный блок

B5 – 5B

C3 – 3B

F3 – 3B – c повышенным быстродействием

Емкость популярных микросхем Flash-памяти Intel

256 32Кх8 ВЕ

512 64Кх8 ВЕ

010 128 Кх8 ВЕ

020 256 Кх8 ВЕ

001 128 Кх8 ВВ

002 256 Кх8 ВВ

004 512 Кх8 ВВ, SA

008 1Мх8 BB, SA

016 2Мх8 BB, SA

200 128 Кх16 BB

400 256 Кх16 BB

800 512 Кх16 BB

Для Flash AMD первая часть обозначения определяет тип о характеристики микросхем:

Am29BDS – B – напряжение 1,8В

D – считывание одновременно с записью

S – пакетный режим чтения

Следующие три цифры – 3х-значный код объема, за которым следует символ технологии изготовления, за ним следует символ архитектуры.

Второе и третье поколение допускают стирание и записи информации в 100000 раз.