9.5 Асоціативна пам'ять

Зазвичай в пристроях, що запам'ятовують, доступ до інформації вимагає вказівки адреси комірки. Проте значно зручніше шукати інформацію не за адресою, а спираючись на яку-небудь характерну ознаку, що міститься в самій інформації. Такий принцип лежить в основі ЗП, відомого як асоціативний пристрій, що запам'ятовує (АЗП). У літературі зустрічаються і інші назви подібного ЗП: пам'ять, що адресується за змістом (content addressable memory); пам'ять, що адресується по даним (data addressable memory); пам'ять з паралельним пошуком (parallel search memory); каталогова пам'ять (catalog memory); інформаційний ЗП (information storage); тег. пам'ять (tag memory).

Асоціативний ЗП - це пристрій, здатний зберігати інформацію, порівнювати її з деяким заданим зразком і вказувати на їх відповідність або невідповідність один одному (рис.9.4).

На відміну від звичайної машинної пам'яті (пам'яті довільного доступу або RAM), в якій користувач задає адресу пам'яті і ОЗП повертає слово даних, що зберігається за цією адресою, АП розроблена так, щоб користувач задавав слово даних, і АП шукає його у всій пам'яті, щоб з'ясувати, чи зберігається воно де-небудь в ній. Якщо слово даних знайдене, АП повертає список одної або більше адрес зберігання, де слово було знайдене (і в деякій архітектурі, також повертає саме слово даних, або інші зв'язані частини даних). Таким чином, АП - апаратна реалізація того, що в термінах програмування назвали б асоціативним масивом.

Асоціативна ознака - ознака, по якій проводиться пошук інформації.

Ознака пошуку - кодова комбінація, виступаюча в ролі зразка для пошуку.

Асоціативна ознака може бути частиною шуканої інформації або додатково додаватися їй. У останньому випадку її прийнято називати тегом або ярликом.

Рисунок 9.4 – Структура асоціативного ЗП

Асоціативний ЗП включає:

- запам'ятовуючий масив для зберігання N m-розрядних слів, в кожному з яких декілька молодших розрядів займає службова інформація;

- регістр асоціативної ознаки, куди розміщується код шуканої інформації (ознака пошуку). Розрядність регістра k зазвичай менше довжини слова т;

- схеми співпадіння, які використовуються для паралельного порівняння кожного біта всіх слів, що зберігаються, з відповідним бітом ознаки пошуку і вироблення сигналів співпадіння;

- регістр співпадіння, де кожній комірці запам'ятовуючого масиву відповідає один розряд, в який заноситься одиниця, якщо всі розряди відповідної комірки співпали з однойменними розрядами ознаки пошуку;

- регістр маски, що дозволяє заборонити порівняння певних бітів;

- комбінаційну схему, яка на підставі аналізу вмісту регістра співпадіння формує сигнали, що характеризують результати пошуку інформації.

При зверненні до АЗП спочатку в регістрі маски обнуляються розряди, які не повинні враховуватися при пошуку інформації. Всі розряди регістра співпадіння встановлюються в одиничний стан. Після цього в регістр асоціативної ознаки заноситься код шуканої інформації (ознака пошуку) і починається її пошук, в процесі якого схеми співпадіння одночасно порівнюють перший біт всіх комірок запам'ятовуючого масиву з першим бітом ознаки пошуку. Ті схеми, які зафіксували неспівпадання, формують сигнал, що переводить відповідний біт регістра співпадіння в нульовий стан. Так само відбувається процес пошуку і для решти незамаскованих бітів ознаки пошуку. У результаті одиниці зберігаються лише в тих розрядах регістра співпадіння, які відповідають коміркам, де знаходиться шукана інформація. Конфігурація одиниць в регістрі співпадінь використовується як адреси, по яких проводиться прочитування з запам'ятовуючого масиву. Із-за того що результати пошуку можуть виявитися неоднозначними, вміст регістра співпадіння подається на комбінаційну схему, де формуються сигнали, що сповіщають про те, що шукана інформація:

- а₀ - не знайдена;

- а₁ - міститься в одній комірці;

- а₂ - міститься більш ніж в одній комірці.

Формування вмісту регістра співпадіння і сигналів a₀, a₁, а₂ носить назву операції контролю асоціації. Вона є складовою частиною операцій прочитування і запису, хоча може мати і самостійне значення.

При прочитуванні спочатку проводиться контроль асоціації по аргументу пошуку. Потім, при а₀=1 прочитування відміняється через відсутність шуканої інформації, при a₁=1 прочитується слово, на яке указує одиниця в регістрі збігів, а при а₂=1 скидається сама старша одиниця в регістрі збігів і витягується відповідне їй слово. Повторюючи цю операцію, можна послідовно рахувати всі слова.

Запис в АП проводиться без вказівки конкретної адреси, в першу вільну комірку. Для відшукання вільної комірки виконується операція прочитування, в якій не замасковані тільки службові розряди, що показують, як давно проводилося звернення до даної комірки, і вільною вважається або порожня комірка, або та, яка найдовше не використовувалася.

Головна перевага асоціативних ЗП визначається тим, що час пошуку інформації залежить тільки від числа розрядів в ознаці пошуку і швидкості опиту розрядів і не залежить від числа комірок в запам'ятовуючому масиві.

Спільність ідеї асоціативного пошуку інформації зовсім не виключає різноманітності архітектури АЗП. Конкретна архітектура визначається поєднанням чотирьох чинників:

- виду пошуку інформації;

- техніки порівняння ознак;

- способу прочитування інформації при множинних співпадіннях;

- способу запису інформації.

У кожному конкретному застосуванні АЗП завдання пошуку інформації може формулюватися по-різному.

Види пошуку інформації:

- простий (потрібний повний збіг всіх розрядів ознаки пошуку з однойменними розрядами слів, що зберігаються в запам'ятовуючому масиві).

- складний:

- пошук всіх слів, великих або менших заданого. Пошук слів в заданих межах.

- пошук максимуму або мінімуму.

Багатократна вибірка з АЗП слова з максимальним або мінімальним значенням асоціативної ознаки (з виключенням його з подальшого пошуку), по суті, є впорядкованою вибіркою інформації. Впорядковану вибірку можна забезпечити і іншим способом, якщо вести пошук слів, асоціативна ознака яких по відношенню до ознаки опиту є найближчим великим або меншим значенням.

Очевидно, що реалізація складних методів пошуку пов'язана з відповідними змінами в архітектурі АЗП, зокрема з ускладненням схеми ЗП і введенням в неї додаткової логіки.

Техніка порівняння ознак

При побудові АЗУ вибирають з чотирьох варіантів організації опиту вмісту пам'яті. Варіанти ці можуть комбінуватися паралельно по групі розрядів і послідовно по групах. У плані часу пошуку найбільш ефективним можна рахувати паралельний опит як по словах, так і по розрядах, але не всі види запам'ятовуючих елементів допускають таку можливість.

Спосіб прочитування інформації при множинних співпадіннях:

- з ланцюгом черговості (за допомогою достатньо складного пристрою, де фіксуються слова, створюючі багатозначну відповідь. Ланцюг черговості дозволяє проводити читання слів в порядку зростання номера комірки АЗП незалежно від величини асоціативних ознак);

- алгоритмічно (в результаті серії опитувань).

Спосіб запису інформації:

- за адресою;

- з сортуванням інформації на вході АЗП по величині асоціативної ознаки (місцеположення комірки, куди буде поміщено нове слово, залежить від співвідношення асоціативних ознак знов записуваного слова і слів, що вже зберігаються в АЗП).

- по збігу ознак;

- з ланцюгом черговості.

Через високу вартість АЗП рідко використовується як самостійний вид пам'яті.