15 Вопрос Назначение кэш-паяти

Несмотря на все технологии и уловки разработчиков, производительность процессора все-таки напрямую зависит от скорости выборки команд и данных из памяти. И даже, если процессор имеет сбалансированный и продуманный конвейер, использует технологию Hyper-Threading и так далее, но не обеспечивает должную скорость выборки данных и команд из памяти, то, в результате, общая производительность ЭВМ не оправдает ваших ожиданий.

Поэтому один из важнейших параметров устройства процессора – это КЭШ-память, призванная сократить время выборки команд и данных из основной оперативной памяти и выполняющая роль промежуточного буфера с быстрым доступом между процессором и основной оперативной памятью.

Принцип работы

Процессор считывает из основной оперативной памяти данные и заносит их в КЭШ-память всех уровней, замещая данные, к которым давно и наиболее редко обращались.

В следующий раз, когда процессору понадобятся эти же данные, они будут считаны уже не из основной оперативной памяти, а из КЭШ-памяти первого уровня, что значительно быстрее. Если к этим данным процессор долго не будет обращаться, то они будут постепенно вытеснены из всех уровней КЭШ-памяти, вначале из первого, так как он самый маленький по объему, затем из второго и так далее. Но, даже если эти данные останутся только в третьем уровне КЭШ-памяти, все равно обращение к ним будет быстрее, чем к основной памяти.

Хорев

1 вопрос Цифровые микросхемы и типовые функциональные узлы. Общая характеристика цифровых микросхем. Группы серии ИС. Временные диаграммы напряжений на входе и выходе логического элемента. Потребляемая микросхемой от источника питания мощность. Динамическая помехоустойчивость. Быстродействие.

Современные цифровые микросхемы характеризуются широким диапазоном выполняемых функций и большим разнообразием вариантов конструктивно-технологического исполнения.

Цифровые ИС, как и аналоговые, выпускаются сериями. Микросхемы одной серии имеют одинаковые напряжения питания, электрические и эксплуатационные характеристики и при совместном применении не нуждаются в дополнительных согласующих элементах. Принадлежность ИС к той или иной серии указывают в ее условном обозначении. Среди большого числа серий цифровых ИС можно выделить следующие группы: серии функционально полного состава, серии, специализированные по функциональному назначению, микропроцессорные комплекты больших интегральных схем..

Цифровую микросхему как функциональный узел характеризуют системой сигналов, которые целесообразно разделить на информационные (X₁...X_m— входные, Y₁...Y_n—выходные) и управляющие (V₁...V_k). Каждая ИС в соответствии со своим функциональным назначением выполняет определенные операции над входными сигналами (переменными), так что выходные сигналы (переменные) представляют собой результат этих операций:

Y_j = F(X₁, ...., Х_m).

Динамические параметры характеризуют свойства ИС в режиме переключения. К ним относятся (рис. 1.1): время задержки распространения сигнала при включении t^0,1_зд.р и выключении t^1,0_зд.р, среднее время задержки распространения сигнала через ИС от ее входа к выходу t_зд.р.ср (определяется как полусумма задержек при включении и выключении); динамическая помехоустойчивость, динамическая потребляемая мощность.

Рис. 1.1. Временные диаграммы напряжений на входе и выходе логического элемента

Потребляемая микросхемой от источника питания мощность в режиме переключения обычно значительно выше, чем в статическом режиме. Для некоторых типов ИС это превышение может достигать двух-трех порядков. Это объясняется наличием в микросхемах емкостных элементов, работой биполярных транзисторов с насыщением и другими причинами. Указанное обстоятельство следует учитывать при расчете энергоемкости источников питания микроэлектронных устройств.

Динамическая помехоустойчивость количественно определяется амплитудой кратковременного импульса помехи на входе ИС, при которой уровень сигнала на выходе не выходит за установленные пределы. Причиной возникновения импульсов помех могут быть емкостные и индуктивные связи в межсоединениях, источники мощных энергетических излучений (реле, тиристоров и др.), броски тока и напряжения в цепях питания. Имеется тесная связь между временными параметрами и динамической помехоустойчивостью: чем меньше средняя задержка, т. е. чем выше быстродействие ИС, тем ниже ее динамическая помехоустойчивость. Об этом следует помнить при выборе ИС: неоправданное завышение требований к быстродействию ИС неминуемо приводит к снижению надежности функционирования микроэлектронных устройств из-за сбоев под воздействием импульсов помех.

Наиболее важным показателем, определяющим многие свойства и область применения ИС, является быстродействие. Если оценить этот показатель частотой переключения, то достигнутый уровень определяется 2000 МГц. С быстродействием непосредственно связан другой важный показатель — потребляемая мощность: чем выше скорость переключения, тем большая мощность потребляется ИС от источника питания. В свою очередь, мощность потребления определяет уровень рассеиваемой мощности, а через этот показатель — допустимую плотность размещения элементов (транзисторов) в полупроводниковом кристалле, т. е. уровень интеграции: чем выше уровень потребляемой мощности, тем ниже уровень интеграции. Поэтому практически целесообразно иметь серии ИС с различным быстродействием и энергопотреблением.