22.2. Методы оптимизации обмена процессор-память

Вначале очень коротко рассмотрим причины, вынуждающие инженеров непрерывно совершенствовать аппаратную и идеологическую основы процессов обмена данными между процессором и памятью.

Как уже отмечалось, память современных ЭВМ имеет иерархическую, много­уровневую структуру. Чем выше уровень, тем выше быстродействие и тем меньше емкость. К верхнему уровню относятся ЗУ, с которыми процессор непосредственно взаимодействует в процессе выполнения программы. Это, прежде всего, основная или оперативная память (ОП), а также сверхоперативная внутренняя память процессора. Последняя имеет очень малую емкость и во внимание приниматься не будет, т.е. речь пойдет только об обмене процессор – ОП. К нижнему уровню памяти относятся внешние ЗУ, обладающие большой емкостью и малым быстродействием. Во всех современных ЭВМ вычислительный процесс строится так, чтобы число обращений к ВП было минимальным. В отличие от ВП современные ОП имеют достаточно высокое быстродействие (цикл обращения составляет десятки наносекунд и менее). Однако при организации взаимодействия процессор – ОП возникает много проблем, связанных с несоответствием пропускной способности процессора и памяти.

Непрерывный рост производительности (скорости работы) ЭВМ, вызываемый потребностями их применения, проявляется, в первую очередь, в повышении скорости работы процессоров. Это достигается использованием более быстродействующих электронных схем, а также специальных архитектурных решений (конвейерная и векторная обработка данных и др.). Быстродействие ОП также растет, но все время отстает от быстродействия аппаратных средств процессора. Это происходит прежде всего потому, что одновременно идет опережающий рост ее емкости, что делает более трудным уменьшение времени цикла работы памяти.

Результаты, к которым приводит такой разрыв в быстродействии процессора и ОП, можно проиллюстрировать на простейшем примере. Рассмотрим типичный цикл обращения микропроцессора к ОП, состоящий из ряда тактов Т₁ Т₂ ... Т₅, например МП КР580. В такте Т₁ МП выставляет на ША адрес ячейки памяти, к которой будет произведено обращение. В такте Т₂ МП ожидает приход сигнала READY от модуля памяти. Количество тактов Т₂ в общем случае не ограничено. Такт Т₃ наступает только после поступления сигнала READY. Из этого примера становится понятным, почему увеличение тактовой частоты не всегда приводит к увеличению скорости выполнения программ, так как МП просто "топчется на месте" в ожидании ответа ОП.

Из всего сказанного следует, что существует, по крайней мере, два направления оптимизации процессов обмена процессора и ОП.

Первое направление – это совершенствование их аппаратной базы. Но, как оказалось, на этом направлении есть ряд серьезных препятствий как технологических, так и принципиальных. Одно из них связано со скоростью распространения электрического сигнала в проводнике. При низкой скорости обмена явление запаздывания сигнала не заметно. Однако оно становится заметным при повышении этих скоростей до величин, пропорциональных

10⁹ обр./с. При дальнейшем увеличении частоты обращений становится невозможным гарантировать правильность работы ОП, так как время получения данных будет существенно зависеть от места их расположения в ОП.

Второе направление – это оптимизирующие алгоритмы взаимодействия процессора и ОП, которые, естественно, также требуют аппаратной поддержки. Ниже, очень коротко, рассматриваются наиболее распространенные методы этого направления, используемые при создании современных ЭВМ.