Статические оперативные запоминающие устройства - озу (ram)
В радиоаппаратуре часто требуется хранение временной информации, значение которой не важно при включении устройства. Такую память можно было бы построить на микросхемах EEPROM или FLASH -памяти, но, к сожалению, эти микросхемы дороги, обладают малым количеством перезаписей и чрезвычайно низким быстродействием при считывании и особенно записи информации. Для хранения временной информации можно воспользоваться параллельными регистрами. Так как запоминаемые слова не нужны одновременно, то можно воспользоваться механизмом адресации, который применяется в ПЗУ.
Схемы, в которых в качестве запоминающей ячейки используется параллельный регистр называются статическим оперативным запоминающим устройством - статическим ОЗУ (RAM - random access memory - память с произвольным доступом), т.к. информация в нем сохраняется все время, пока к микросхеме ОЗУ подключено питание. В отличие от статической ОЗУ в микросхемах динамического ОЗУ постоянно требуется регенерировать их содержимое, иначе информация будет испорчена.
В микросхемах ОЗУ присутствуют две операции: операция записи и операция чтения. Для записи и чтения информации можно использовать различные шины данных (как это делается в сигнальных процессорах), но чаще используется одна и та же шина данных. Это позволяет экономить внешние выводы микросхем, подключаемых к этой шине и легко осуществлять коммутацию сигналов между различными устройствами.
Структурная схема статического ОЗУ приведена на рисунке 1. Вход и выход ОЗУ в этой схеме объединены при помощи шинного формирователя. Естественно, что схемы реальных ОЗУ будут отличаться от приведенной на этом рисунке. Тем не менее, приведенная схема позволяет понять как работает реальное ОЗУ. Условно-графическое обозначение ОЗУ на принципиальных схемах приведено на рисунке 2.
Рисунок 1. Структурная схема ОЗУ (RAM).
Рисунок 2. Условно-графическое обозначение ОЗУ (RAM)
Сигнал записи WR позволяет записать логические уровни, присутствующие на информационных входах во внутреннюю ячейку ОЗУ (RAM). Сигнал чтения RD позволяет выдать содержимое внутренней ячейки памяти на информационные выходы микросхемы. В приведенной на рисунке 1 схеме невозможно одновременно производить операцию записи и чтения, но обычно это и не нужно.
Конкретная ячейка ОЗУ выбирается при помощи двоичного кода - адреса ячейки. Объем памяти ОЗУ (RAM) зависит от количества ячеек, содержащихся в ней или, что то же самое, от количества адресных проводов. Количество ячеек в ОЗУ можно определить по количеству адресных проводов, возводя 2 в степень, равную количеству адресных выводов в микросхеме:
Вывод выбора кристалла CS микросхем ОЗУ позволяет объединять несколько микросхем для увеличения объема памяти ОЗУ. Такая схема приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема ОЗУ, построенного на нескольких микросхемах памяти.
Статические ОЗУ требуют для своего построения большой площади кристалла, поэтому их ёмкость относительно невелика. Статические ОЗУ применяются для построения микроконтроллерных схем из-за простоты построения принципиальной схемы и возможности работать на сколь угодно низких частотах, вплоть до постоянного тока. Кроме того статические ОЗУ применяются для построения КЭШ-памяти в универсальных компьютерах из-за высокого быстродействия статического ОЗУ.
Временные диаграммы чтения из статического ОЗУ совпадают с временными диаграммами чтения из ПЗУ. Временные диаграммы записи в статическое ОЗУ и чтения из него приведены на рисунке 4.
Рисунок 4. Временная диаграмма обращения к ОЗУ принятая для схем, совместимых со стандартом фирмы INTEL.
На рисунке 4 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы ОЗУ. На этом рисунке RD - это сигнал чтения; WR - сигнал записи; A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние); DI - входная информация, предназначенная для записи в ячейку ОЗУ, расположенную по адресу A1; DO - выходная информация, считанная из ячейки ОЗУ, расположенной по адресу A2.
Рисунок 5. Временная диаграмма обращения к ОЗУ принятая для схем, совместимых со стандартом фирмы MOTOROLA.
На рисунке 5 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке R/W - это сигнал выбора операции записи или чтения; DS - сигнал стробирования данных; A - сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние); DI - входная информация, предназначенная для записи в ячейку ОЗУ, расположенную по адресу A1; DO - выходная информация, считанная из ячейки ОЗУ, расположенной по адресу A2.
SDRAM (англ. Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом) — тип запоминающего устройства, использующегося в компьютере в качестве ОЗУ.
В отличие от других типов DRAM, использовавших асинхронный обмен данными, ответ на поступивший в устройство управляющий сигнал возвращается не сразу, а лишь при получении следующего тактового сигнала. Тактовые сигналы позволяют организовать работу SDRAM в виде конечного автомата, исполняющего входящие команды. При этом входящие команды могут поступать в виде непрерывного потока, не дожидаясь, пока будет завершено выполнение предыдущих инструкций (конвейерная обработка): сразу после команды записи может поступить следующая команда, не ожидая, когда данные окажутся записаны. Поступление команды чтения приведёт к тому, что на выходе данные появятся спустя некоторое количество тактов — это время называется задержкой (англ. SDRAM latency) и является одной из важных характеристик данного типа устройств.
Циклы обновления выполняются сразу для целой строки, в отличие от предыдущих типов DRAM, обновлявших данные по внутреннему счётчику, используя способ обновления по команде CAS перед RAS.
История использования
Массовый выпуск SDRAM начался в 1993 году. Первоначально этот тип памяти предлагался в качестве альтернативы для дорогой видеопамяти (VRAM), однако вскоре SDRAM завоевал популярность и стал применяться в качестве ОЗУ, постепенно вытесняя другие типы динамической памяти. Последовавшие затем технологии DDR позволили сделать SDRAM ещё эффективнее. За разработкой DDR SDRAM, последовал стандарт DDR2 SDRAM, а затем и DDR3 SDRAM.
SDR SDRAM
Первый стандарт SDRAM с появлением последующих стандартов стал именоваться SDR (Single Data Rate — в отличие от Double Data Rate). За один такт принималась одна управляющая команда и передавалось одно слово данных. Типичными тактовыми частотами были 66, 100 и 133 МГц. Микросхемы SDRAM выпускались с шинами данных различной ширины (обычно 4, 8 или 16 бит), но как правило, эти микросхемы входили в состав 168-пинного модуля DIMM, который позволял прочитать или записать 64 бита (в варианте без контроля чётности) или 72 бита (с контролем чётности) за один такт.
Использование шины данных в SDRAM оказалось осложнено задержкой в 2 или 3 такта между подачей сигнала чтения и появлением данных на шине данных, тогда как во время записи никакой задержки быть не должно. Потребовалась разработка достаточно сложного контроллера, который не позволял бы использовать шину данных для записи и для чтения в один и тот же момент времени.
Управляющие сигналы
Команды, управляющие модулем памяти SDR SDRAM, подаются на контакты модуля по 7 сигнальным линиям. По одной из них подается тактовый сигнал, передние (нарастающие) фронты которого задают моменты времени, в которые считываются команды управления с остальных 6 командных линий. Имена (в скобках — расшифровки имен) шести командных линий и описания команд приведены ниже:
CKE (clock enable) — при низком уровне сигнала блокируется подача тактового сигнала на микросхему. Команды не обрабатываются, состояние других командных линий игнорируется.
/CS (chip select) — при высоком уровне сигнала все прочие управляющие линии, кроме CKE, игнорируются. Действует как команда NOP (нет оператора).
DQM (data mask) — высокий уровень на этой линии запрещает чтение/запись данных. При одновременно поданной команде записи данные не записываются в DRAM. Присутствие этого сигнала в двух тактах, предшествующих циклу чтения приводит к тому, что данные не считываются из памяти.
/RAS (row address strobe) — несмотря на название, это не строб, а всего лишь один командный бит. Вместе с /CAS и /WE кодирует одну из 8 команд.
/CAS (column address strobe) — несмотря на название, это не строб, а всего лишь один командный бит. Вместе с /RAS и /WE кодирует одну из 8 команд.
/WE (write enable) — Вместе с /RAS и /CAS кодирует одну из 8 команд.
Устройства SDRAM внутренне разделены на 2 или 4 независимых банка памяти. Входы адреса первого и второго банка памяти (BA0 и BA1) определяют, какому банку предназначена текущая команда.
DDR SDRAM (от англ. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных) — тип компьютерной памяти, используемой в вычислительной технике в качестве оперативной и видеопамяти. Пришла на смену памяти типа SDRAM.
При использовании DDR SDRAM достигается удвоенная скорость работы, нежели в SDRAM, за счёт считывания команд и данных не только по фронту, как в SDRAM, но и по спаду тактового сигнала. За счёт этого удваивается скорость передачи данных без увеличения частоты тактового сигнала шины памяти. Таким образом, при работе DDR на частоте 100 МГц мы получим эффективную частоту 200 МГц (при сравнении с аналогом SDR SDRAM). В спецификации JEDEC есть замечание, что использовать термин «МГц» в DDR некорректно, правильно указывать скорость «миллионов передач в секунду через один вывод данных».
Специфическим режимом работы модулей памяти является двухканальный.
Описание
Микросхемы памяти DDR SDRAM выпускаются в корпусах TSOP и (освоено позднее) корпусах типа BGA (FBGA), производятся по нормам 0,13 и 0,09-микронного техпроцесса Напряжение питания микросхем: 2,6 В +/- 0,1 В Потребляемая мощность: 527 мВт Интерфейс ввода-вывода: SSTL_2
Ширина шины памяти составляет 64 бита, то есть по шине за один такт одновременно передаётся 8 байт. В результате получаем следующую формулу для расчёта максимальной скорости передачи для заданного типа памяти: тактовая частота шины памяти x 2 (передача данных дважды за такт) x 8 (число байтов передающихся за один такт). Например, чтобы обеспечить передачу данных дважды за такт, используется специальная архитектура «2n Prefetch». Внутренняя шина данных имеет ширину в два раза больше внешней. При передаче данных сначала передаётся первая половина шины данных по фронту тактового сигнала, а затем вторая половина шины данных по спаду.
Помимо удвоенной передачи данных, DDR SDRAM имеет несколько других принципиальных отличий от простой памяти SDRAM. В основном они являются технологическими. Например, был добавлен сигнал QDS, который располагается на печатной плате вместе с линиями данных. По нему происходит синхронизация при передаче данных. Если используется два модуля памяти, то данные от них приходят к контроллеру памяти с небольшой разницей из-за разного расстояния. Возникает проблема в выборе синхросигнала для их считывания и использование QDS успешно это решает.
JEDEC устанавливает стандарты для скоростей DDR SDRAM, разделённых на две части: первая для чипов памяти, а вторая для модулей памяти, на которых, собственно, и размещаются чипы памяти.
Чипы памяти
В состав каждого модуля DDR SDRAM входит несколько идентичных чипов DDR SDRAM. Для модулей без коррекции ошибок (ECC) их количество кратно 4, для модулей с ECC — формула 4+1.
Характеристики чипов
Ёмкость чипа (DRAM density). Записывается в мегабитах, например 256 Мбит — чип ёмкостью 32 мегабайта.
Организация (DRAM organization). Записывается в виде 64M x 4, где 64M — это количество элементарных ячеек хранения (64 миллиона), а x4 (произносится «by four») — разрядность чипа, то есть разрядность каждой ячейки. Чипы DDR бывают x4 и x8, последние стоят дешевле в пересчёте на мегабайт ёмкости, но не позволяют использовать функции Chipkill, memory scrubbing и Intel SDDC.
Модули памяти
Модули DDR SDRAM выполнены в форм-факторе DIMM. На каждом модуле расположено несколько одинаковых чипов памяти и конфигурационный чип SPD. На модулях регистровой (registered) памяти также располагаются регистровые чипы, буферизующие и усиливающие сигнал на шине, на модулях нерегистровой (небуферизованной, unbuffered) памяти их нет.
Характеристики модулей
Объём. Указывается в мегабайтах или гигабайтах.
Количество чипов (# of DRAM Devices). Кратно 8 для модулей без ECC, для модулей с ECC — кратно 9. Чипы могут располагаться на одной или обеих сторонах модуля. Максимальное умещающееся на DIMM количество — 36 (9x4).
Количество строк (рангов) (# of DRAM rows (ranks)).
Чипы, как видно из их характеристики, имеют 4- или 8-ми битную шину данных. Чтобы обеспечить более широкую полосу (например DIMM требует 64 бита и 72 бита для памяти с ECC), чипы связываются в ранги. Ранг памяти имеет общую шину адреса и дополняющие друг-друга линии данных. На одном модуле может размещаться несколько рангов. Но если нужно больше памяти, то добавлять ранги можно и дальше, установкой нескольких модулей на одной плате и используя тот же принцип: все ранги сидят на одной шине, только чип селекты разные - у каждого свой. Большое количество рангов электически нагружает шину, точнее контроллер и чипы памяти, и замедляет их работу. Отсюда начали применять многоканальную архитектуру, которая позволяет также независимо обращатся к несколькольким модулям.
Задержки (тайминги): CAS Latency (CL), Clock Cycle Time (tCK), Row Cycle Time (tRC), Refresh Row Cycle Time (tRFC), Row Active Time (tRAS).
Характеристики модулей и чипов, из которых они состоят, связаны.
Объём модуля равен произведению объёма одного чипа на число чипов. При использовании ECC это число дополнительно умножается на коэффициент 9/8, так как на каждый байт приходится один бит избыточности для контроля ошибок. Таким образом один и тот же объём модуля памяти можно набрать большим числом (36) маленьких чипов или малым числом (9) чипов большего объёма.
Общая разрядность модуля равна произведению разрядности одного чипа на число чипов и равна произведению числа ранков на 64 (72) бита. Таким образом, увеличение числа чипов или использование чипов x8 вместо x4 ведёт к увеличению числа ранков модуля.
Кэш
Кэш[1][2][3] или кеш[4][5][6] (англ. cache, от фр. cacher — «прятать»; произносится [kæʃ] — «кэш») — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы. Доступ к данным, хранящимся в кэше программным путем на процессорах линейки [x86] невозможен.
Впервые слово «кэш» в компьютерном контексте было использовано в 1967 году во время подготовки статьи для публикации в журнале «IBM Systems Journal». Статья касалась усовершенствования памяти в разрабатываемой модели 85 из серии IBM System/360. Редактор журнала Лайл Джонсон попросил придумать более описательный термин, нежели «высокоскоростной буфер», но из-за отсутствия идей сам предложил слово «кэш». Статья была опубликована в начале 1968 года, авторы были премированы IBM, их работа получила распространение и впоследствии была улучшена, а слово «кэш» вскоре стало использоваться в компьютерной литературе как общепринятый термин.[7]
Функционирование
Диаграмма кэша памяти ЦПУ
Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.
Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.
Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.
Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных.
Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.
При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.
В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.
В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.
В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.
Кэш центрального процессора
Ряд моделей центральных процессоров (ЦП) обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры. Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.
В процессорах с поддержкой виртуальной адресации часто вводят небольшой быстродействующий буфер трансляций адресов (TLB). Его скорость важна, т.к. он опрашивается на каждом обращении в память.
Уровни кэша
Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.
Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 кэша не могут функционировать. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно. Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 384 Кбайт.
Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле, как и L1. В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC количество ядер процессора. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра.
Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера — более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.
Иногда существует и 4 уровень кэша, обыкновенно он расположен в отдельной микросхеме. Применение кэша 4 уровня оправдано только для высоко производительных серверов и мейнфреймов.
Проблема синхронизации между различными кэшами (как одного, так и множества процессоров) решается когерентностью кэша. Существует три варианта обмена информацией между кэш-памятью различных уровней, или, как говорят, кэш-архитектуры: инклюзивная, эксклюзивная и неэксклюзивная.
Инклюзивная архитектура предполагает дублирование информации кэша верхнего уровня в нижнем (предпочитает фирма Intel).
Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в различных уровнях кэша (предпочитает фирма AMD).
В неэксклюзивной кэши могут вести себя как угодно.
Ассоциативность кэша
Одна из фундаментальных характеристик кэш-памяти — уровень ассоциативности — отображает её логическую сегментацию. Дело в том, что последовательный перебор всех строк кэша в поисках необходимых данных потребовал бы десятков тактов и свёл бы на нет весь выигрыш от использования встроенной в ЦП памяти. Поэтому ячейки ОЗУ жёстко привязываются к строкам кэш-памяти (в каждой строке могут быть данные из фиксированного набора адресов), что значительно сокращает время поиска. С каждой ячейкой ОЗУ может быть связано более одной строки кэш-памяти: например, n-канальная ассоциативность (англ. n-way set associative) обозначает, что информация по некоторому адресу оперативной памяти может храниться в n местах кэш-памяти.
При одинаковом объеме кэша схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее эффективной (после 4-way эффективность на 1 поток растет мало).
Кэширование внешних накопителей
Многие периферийные устройства хранения данных используют кэш для ускорения работы, в частности, жёсткие диски используют кэш-память от 1 до 64 Мбайт (модели с поддержкой NCQ/TCQ используют её для хранения и обработки запросов), устройства чтения CD/DVD/BD-дисков также кэшируют прочитанную информацию для ускорения повторного обращения. Операционная система также использует часть оперативной памяти в качестве кэша дисковых операций (например, для внешних устройств, не обладающих собственной кэш-памятью, в том числе жёстких дисков, flash-памяти и гибких дисков).
Применение кэширования внешних накопителей обусловлено следующими факторами:
скорость доступа процессора к оперативной памяти во много раз больше, чем к памяти внешних накопителей;
некоторые блоки памяти внешних накопителей используются несколькими процессами одновременно и имеет смысл прочитать блок один раз, затем хранить одну копию блока в оперативной памяти для всех процессов;
доступ к некоторым блокам оперативной памяти происходит гораздо чаще, чем к другим, поэтому использование кэширования для таких блоков в целом увеличивает производительность системы;
для некоторых блоков памяти внешних накопителей не требуется непосредственной записи после модификации, и использование кэша для таких блоков оптимизирует использование ввода-вывода.