8. Организация памяти. Иерархические уровни. Двух- и трехуровневая организация памяти

Структура памяти ЭВМ:

Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти:

- микропроцессорная память (МПП);

- регистровая кэш-память;

- основная память (ОП);

- внешняя память (ВЗУ).

Таблица 6.1 Сравнительные характеристики запоминающих устройств

Две важнейшие характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) указанныхтипов памяти приведены в таблице 6.1.

Быстродействие первых трех типов запоминающих устройств измеряется временем обращения (t_обр) к ним, а быстродействиевнешних запоминающих устройств двумя параметрами: временем доступа (t_ДОСТ) и скоростью считывания ( V_счт):

- t_обр — сумма времени поиска, считывания и записи информации (в литературе это время часто называют временем доступа, что не совсем строго),

- t_дост — время поиска информации на носителе;

- V_СЧИТ — скорость считывания смежных байтов информации подряд (трансфер). Напомним общепринятые сокращения: с — секунда, мс -— миллисекунда, мкс — микросекунда, нс — наносекунда; 1 с = 10³мс =10⁶ мкс = 10⁹нс.

Оперативная память может строиться на микросхемах динамического (DinamicRandomAccessMemory–DRAM) или статического(StaticRandomAccessMemory – SRAM)типа.

Статический тип памяти обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже динамического. 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 сколь 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 конкретных ячеек. Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную емкость (единицы мегабит на корпус) и высокое энергопотребление. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш­-память).

В динамической памяти ячейки построены на основе полупроводниковых облас­тей с накоплением зарядов (своеобразных конденсаторов), занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Конденсаторы расположены па 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 (строб адреса строки), затем, через некоторое время — адрес столбца, сопровождаемый сигналом САS (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 подзаряд тратится и энергия и время, и это снижает производительность системы.

Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (десятки наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков мегабит па корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

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 (Сасhе), что в переводе с английского означает «тайник».

В современных материнских платах используется конвейерный кэш с блочным доступом. В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы — быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд про­граммы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опе­режением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП.

По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш-­памяти:

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

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

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную в основное ядро МП кэш-память (или кэш-память 1-го уровня — L1), чем, в частности, и обуслов­ливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш­-память отдельно для данных и отдельно для команд: у Pentium емкость этой памя­ти небольшая— по 8 Кбайт, у Pentium ММХ — по 16 Кбайт. УPentiumPFO и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 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 может использоваться дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (LЗ) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайт (кэш на МП 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 LЗ это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени обращения, и от пропускной способности интерфейса и лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с.

Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность систе­мы.Чем больше размер кэш-памяти, тем выше производительность, но эта зависи­мость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общейобщей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современныхПК рост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Мбайт кзш-памяти L2. Создается кэш-память на основе микросхем статической памяти.

В современных ПК часто применяется и кэш-память между внешними ЗУ на дисках и оперативной памятью, обычно относящаяся к 3-му уровню, реже, если есть кэш L3 на системной плате, к 4-му. Кэш-память для ВЗУ создается либо в поле оперативной памяти, либо непосредственно в модуле самого ВЗУ.

24