Назначение кеш памяти Что же такое кэш-память или кэш (по англ. Cache memory, cache):

-- в широком смысле, подразумевается любая память с быстрым доступом, где хранится часть данных с другого носителя с более медленным доступом;

-- в узком смысле — это сверхоперативный вид памяти, который используется для повышения скорости доступа микропроцессора к оперативной памяти.

Предположим, что в библиотеке работает один библиотекарь. Если человек приходит и просит первый том Пушкина, то библиотекарь идет к далекой книжной полке, находит книгу и приносит ее посетителю.

Когда этот человек прочитал книгу, то она обратно возвращается на полку. И если уже любой другой человек приходит и просит эту же самую книгу, цикл повторяется снова.

Вот пример того, как библиотека, то есть система работает без кэш-памяти.

Уровни кэш памяти

Большинство жестких дисков используют один уровень кэш-памяти. Но кэш имеет два уровня, где уровень L1 меньше и быстрее, а уровень L2, несколько медленнее (но все равно быстрее, чем основная внутренняя память).

И снова возвратимся за примером к нашей библиотеке, на примере ее работы становится понятна как работает внешняя память компьютера.

Рассмотрим ящик библиотекаря в качестве кэша L1. Когда спрос на книги высок, и в ящике уже довольно много книг (нет места складывать) и вероятность того, что там найдется нужная, снижается.

Память l2 кэш

Здесь и появляется неодходимость L2. Представим L2 как книжный шкаф возле стола библиотекаря. Когда маленький ящик стола заполнен, библиотекарь начинает ставить книги в этот шкаф. И теперь, если книга не найдена в ящике сразу, надо взять ее из шкафа, не отходя далеко.

Аналогичным образом, когда кэш L1 заполнен, данные сохраняются в L2. Процессор в первую очередь ищет данные в L1, если они не будут найдены, то он обратится уже к L2. Если там тоже данные не найдены в L2, то идет обращение к основной памяти.

Вопрос №30

Статическая и динамическая оперативная память

Оперативная память может формироваться из микросхем динамического (Dynamic Random Access Memory — DRAM) или статического (Static Random Access Memory — SRAM) типа.

Память SRAM статического типа обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже динамической памяти. В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров (схем с двумя устойчивыми состояниями). После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии столь угодно долго, необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки из конкретной ячейки. Ячейки SRAM имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе отличаются низкой удельной емкостью (единицы Мбит на корпус) и высоким энергопотреблением. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш-память).

В динамической памяти DRAM ячейки построены на основе полупроводниковых областей с хранением зарядов — своеобразных конденсаторов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Конденсаторы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти. При обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки), затем, через некоторое время — адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe — строб адреса столбца). Поскольку конденсаторы постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке в течение нескольких миллисекунд), во избежание потери хранимой информации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти — динамическая. На подзарядку тратится и энергия и время, и это снижает производительность системы. Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (до десятка наносекунд), но большую удельную плотность (до нескольких тысяч Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

Кэш-память

Кэш-память имеет несколько уровней. Уровни L1, L2 и L3 – регистровая кэш-память, высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название кэш (cache), что в переводе с английского означает «тайник». Кэш-память уровня L4 является буфером между НМД и оперативной памятью, она строится либо на основе DRAM, либо на основе флэш-дисков. В современных материнских платах применяется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы. Благодаря кэш возможен быстрый доступ к данным и сокращение времени выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в кэш-память. Туда же записываются и результаты операций, выполненных в МП. По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш-памяти:

 кэш-память «с обратной записью» - результаты операций прежде, чем их записать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

 кэш-память «со сквозной записью» - результаты операций параллельно записываются и в кэш-память, и в ОП.

МП, начиная от 80486, обладают встроенной в основное ядро МП кэш-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня — L1), чем, в частности, и обусловливается их высокая производительность. МП Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Емкость этой памяти для МП Pentium и Pentium Pro небольшая — по 8 Кбайт, у следующих версий МП Pentium по 16 Кбайт, а у МП серии Core по 32 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня (L1) есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кбайт до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте.

Следует иметь в виду, что для всех МП используется дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (L3) уровня, размещаемая на СП (вне МП), емкость которой может достигать нескольких мегабайтов (кэш на СП относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-го уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш работает, и составляет обычно 1–2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2–5 нс, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит от времени обращения, и пропускной способности интерфейса, лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с. Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность системы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие, но эта зависимость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современных ПК рост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Мбайт кэш-памяти L2. Создается кэш-память L1, L2, L3 на основе микросхем статической памяти.

Основная память

При рассмотрении структуры основной памяти можно говорить как о физической структуре, то есть об основных ее конструктивных компонентах, так и о логической структуре, то есть о ее различных областях, условно выделенных для организации более удобных режимов их использования и обслуживания.

Вопрос №31

Постоянные запоминающие устройства

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — память только для чтения - ROM (Read Only Memory) строится на основе установленных на материнской плате модулей и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера, некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS) и других. К ПЗУ принято относить энергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ выполняется вне ПК в лабораторных условиях или при наличии специального программатора в компьютере.

Вопрос №32

BIOS(Basic Input/Output System) – это базовая система ввода-вывода. В состав этой системы входят различные программы ввода-вывода, которые обеспечивают взаимодействие между операционной системой, прикладными программами с одной стороны и устройствами, входящими в состав компьютера (внутренними и внешними) с другой.

Первоначально она предназначалась для осуществления тестирования компьютера при включении – так называемых POST(Power On Self Test) или BIST(Built In Self Test)-процедур, и обеспечивания последующей загрузки ОС. Это справедливо для ПК семейств i8086, i8088 и для значительной части семейства 80286.

В настоящее время BIOS представляет собой сложную систему, состоящую из большого количества утилит, предназначенных для автоматического распознавания установленного на компьютер оборудования, его настройки и проверки функционирования. Вызов программ BIOS, как правило, осуществляется через программные или аппаратные прерывания. При включении питания компьютера BIOS тестирует (POST -- Power-On-Self-Test) компоненты системы -- процессор, память, приводы дисков (как жестких, так и флоппи-дисководов), клавиатуру т.д.

BIOS реализован в виде микросхемы, установленной на материнской плате компьютера. Заметим, что название ROM BIOS в настоящее время не совсем справедливо, ибо "ROM" предполагает использование постоянных запоминающих устройств (Read Only Memory), а для хранения кодов BIOS в настоящее время применяют в основном перепрограммируемые запоминающие устройства. Наиболее перспективной для хранения системы BIOS является флэш-память. Она позволяет модифицировать функции для поддержки новых устройств, подключаемых к компьютеру.

Система BIOS неразрывно связана с СMOS RAM (CMOS -- Complementary Metal Oxide Semiconductor). Это память, в которой хранится информация о текущих установках BIOS (время, количество памяти, типы жестких дисков и т.д.). В этой информации нуждаются программные модули системы BIOS. CMOS-память относительно энергонезависима так как имеет независимое питание - либо от аккумулятора, который расположен на системной плате, либо от батареи на корпусе системного блока.

Изменение установок в CMOS производится через программу SETUP. Чаще всего SETUP может быть вызван нажатием специальной комбинации клавиш (DEL, ESC, CTRL-ESC, или CRTL-ALT-ESC) во время начальной загрузки (некоторые BIOS позволяют запускать SETUP в любое время, нажимая CTRL-ALT-ESC).

Основными производителями BIOS являются фирмы AWARD и AMI.