5. Устройство перепрограммируемого пзу

В перепрограммируемых ПЗУ, т.е. с изменяемым содержимым, на затворах матриц МОП-транзисторов длительное время могут храниться разряды, образующих заданный код. Все перепрограммируемые ПЗУ представляют собой МОП-приборы.

ПЗУ, программируемые маской. Самым простым видом ПЗУ является диодное ПЗУ. Выбор нужного слова производится подачей сигнала низкого уровня на соответствующую адресную шину А_i. При этом диоды, соединяющие разрядные линии и выбранную адресную линию, имеют малое сопротивление, что обуславливает низкий уровень напряжения на соответствующих разрядных линиях. Если же диода в точке пересечения нет, то ток через резистор R не протекает и на выходе соответствующей разрядной линии Ш_j устанавливается единичный сигнал. В ПЗУ (рис.3.41) записано восемь 3-разрядных кодов, соответствующих восьми двоичным числам от 000 до 111.

Кроме этого, матрица ПЗУ может быть построена и на МОП-транзисторах. С помощью маски для металлизации подключаются необходимые элементы.

В ПЗУ, программируемых пользователем, в отличие от ПЗУ, программируемых маской, информация может быть занесена пользователем с помощью специального пульта программирования. Применение ПЗУ такого типа целесообразно при небольшом числе БИС ПЗУ.

ПЗУ строятся на основе биполярных диодных матриц (рис.3.42) или матриц биполярных транзисторов аналогично матрице МОП-транзисторов в ПЗУ, программируемых маской. Работа ПЗУ обоих типов базируется на осаждении плавких вставок (ПВ) последовательно с переходами база-эмиттер биполярных транзисторов или p-n переходами диодов. ПВ представляет собой небольшой участок металлизации, который разрушается (расплавляется) при подаче импульса тока (обычно величиной 50-100 мкА и длительностью 2 мс). Как и в ПЗУ, программируемой маской, ошибки, допущенные при программировании ПЗУ рассматриваемого типа, исправить нельзя. Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ) относятся к числу полупостоянных ЗУ, так как после стирания хранимой в ПЗУ информации возможно занесение в тот же накопитель новых данных. Существует два типа ППЗУ: на основе МОП-матриц и на основе ПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым (УФ) облучением кристалла.

6. Принципы ускорения доступа к озу. Расслоение, конвееризация, буферизация.

Расслоение Метод расслоения памяти базируется на том, что, по практическим наблюдениям, адреса логически связанных величин программы чаще всего располагаются друг за другом в соседних байтах памяти. Следовательно, за счет совмещения во времени соседних циклов обращения в память можно получить определенный общий выигрыш во времени.

При отсутствии чередования банки активизируются сигналами CS последова­тельно, в зависимости от того, к какому из них поступил запрос. После выборки кода из текущего банка он переводится в неактивное состояние, и только затем активизируется следующий банк .Теперь рассмотрим схему повышения быстродействия памяти для простейшего случая расслоения, когда используются два банка памяти. В этом случае адре­са между банками распределяются так, чтобы в одном банке находились ячей­ки, соответствующие байтам с четными адресами, а во втором — с нечетными. Во время выборки, например, из банка с нечетными адресами в банке с чет­ными адресами проходит фаза адреса для следующего выбираемого байта. То есть фаза восстановления одного банка накладывается на фазу адреса другого (рис. 7.5, вверху). Несмотря на то что длительность цикла для каждого банка в отдельности не изменилась, расслоение памяти уменьшает общее время выбор­ки двух кодов и, следовательно, увеличивает общую производительность опера­тивной памяти.

Конвейеризация - способ обеспечения параллельности выполнения команд. В зависимости от типа команды и способа адресации, время выполнения команды сильно варьируется. Дольше всего выполняются этапы, связанные с обращением к памяти. На рисунках показаны блоки и конвейер команд гипотетического процессора, имеющего пять блоков исполнения команд и соответственно пять этапов (ступеней). Изображены выполняемые команды, номера тактов и этапы выполнения команд. На первом такте считывается первая команда. На втором, пока декодируется первая команда, считывается вторая. На пятом такте в процессоре одновременно находятся пять команд, каждая в своем узле. Конвейеризация увеличивает пропускную способность процессора (количество команд, завершающихся в единицу времени), но она не сокращает время выполнения отдельной команды. Имеются некоторые накладные расходы на конвейеризацию, возникающие в результате несбалансированности задержки на каждой его ступени. Частота синхронизации (такт синхронизации) не может быть выше, чем время, необходимое для работы наиболее медленной ступени конвейера. Конвейер не всегда представляет собой линейную цепочку этапов. В ряде ситуаций оказывается выгодным, когда функциональные блоки соединены между собой не последовательно, а в соответствии с логикой обработки. Отдельные блоки в цепочке могут пропускаться, а другие - образовывать циклические процедуры. Это позволяет с помощью одного конвейера вычислять более одной функции.

Буферизация (от англ. buffer) — метод организации обмена, в частности, ввода и вывода данных в компьютерах и других вычислительных устройствах, который подразумевает использование буфера для временного хранения данных. При вводе данных одни устройства или процессы производят запись данных в буфер, а другие — чтение из него, при выводе — наоборот. Процесс, выполнивший запись в буфер, может немедленно продолжать работу, не ожидая, пока данные будут обработаны другим процессом, которому они предназначены. В свою очередь, процесс, обработавший некоторую порцию данных, может немедленно прочитать из буфера следующую порцию. Таким образом, буферизация позволяет процессам, производящим ввод, вывод и обработку данных, выполняться параллельно, не ожидая, пока другой процесс выполнит свою часть работы. Поэтому буферизация данных широко применяется в многозадачных ОС.

Буферизация по принципу своего построения бывает прозрачная (пример — кэширование диска на запись, когда процессы или устройства не подозревают о существовании процедуры буферизации между ними), и непрозрачная, когда сторонам для совершения обмена требуются знания о буфере. Наглядный пример. С бумажными почтовыми отправлениями совершается инкапсуляция в мешки с почтой, далее в вагоны поездов, автомобили и прочие транспортные средства. Отправитель же и получатель обязаны знать только один уровень буферизации — почтовые ящики. Остальные уровни прозрачны для пользователя.

Термины «прозрачная» и «непрозрачная» буферизация не совсем удачны, поскольку могут несколько сбивать с толку. В качестве более удачных можно было бы предложить термины, соответственно, «невидимая» и «видимая буферизация».

7. Кэш-память. Классификация кэш-памяти.

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. 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.

Типы:

- Кэш центрального процессора

- Кэш внешних накопителей

- Кэш интернет-страниц

- Кэш оперативной памяти

8. Политика кэширования

Политика записи при кэшировании

При чтении данных кэш-память даёт однозначный выигрыш в производительности. При записи данных выигрыш можно получить только ценой снижения надёжности. Поэтому в различных приложениях может быть выбрана та или иная политика записи кэш-памяти..

Существуют две основные политики записи кэш-памяти — сквозная запись (write-through) и отложенная запись (write-back):

1. Сквозная запись — запись производится непосредственно в основную память (и дублируется в кэш), то есть запись не кэшируется.

2. Отложенная запись — запись данных производится в кэш. Запись же в основную память производится позже (при вытеснении или по истечению времени), группируя в одной операции несколько операций записи в соседние ячейки. Технология обратной записи на некоторое время делает данные в основной памяти неактуальными, для самого ЦП эти неактуальности не заметны, но перед обращением к памяти другого ведущего системной шины (контроллера DMA, bus-master-устройства шины PCI) кэш должен быть записан в память принудительно. При использовании обратной записи в многопроцессорной системе кэши различных ЦП должны быть согласованы (или процессоры должны использовать одну кэш-память).