2.8. Флэш-память. Принципы построения и функционирования.

Flash-память относится к классу энергонезависимых типов памяти, хранящих данные даже в отсутствие напряжения питания. Технология ETOX является доминирующей flash-технологией, занимающей около 70% всего рынка энергонезависимой памяти. Данные вводятся во flash-память побитно, побайтно или словами при помощи операции, которая называется программированием. Как только данные были введены, они остаются в памяти независимо от того, подведено питание или нет. Очистка памяти производится при помощи операции стирания. Количество стираемых за один раз данных определяется дизайном каждой конкретной реализации flash и обычно колеблется от 8Kbit до 1Mbit. Элемент, хранящий информацию по технологии ETOX, показан на рисунке 2. Это один транзистор, у которого под затвором помещен еще так называемый плавающий затвор (из электрически изолированного поликремния), позволяющий хранить заряд в виде электронов. Количество заряда определяет работу этого транзистора. И это различие в поведении определяет состояние ячейки: Наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", а его отсутствие - как логическая "1". Использование только одного транзистора для хранения одного бита ведет к уменьшению площади памяти (и значит, к уменьшению цены), по сравнению с типами памяти хранящей на нескольких транзисторах (например SRAM).

2.9. Кэш-память.

Кэш-память (от англ. cache, дословно — «заначка», «кубышка», амер.англ. - «наличные», «деньги под рукою») — память ЭВМ с быстрым доступом, где дублируется часть данных с другого носителя с более медленным доступом, или хранятся данные, для получения которых требуются "дорогие" (в смысле временных затрат) вычисления. Иногда для краткости кэш-память называют просто «кэш».

Кэш-память позволяет обращаться к часто требуемым данным быстрее, чем это происходило бы без её использования. Процесс организации доступа через кэш-память называется кэшированием, а та память, которая кэшируется, называется основной памятью.

Сверхоперативные ЗУ используется для хранения небольших обьемов информации и имеют значительно меньшее время (в 2-10 раз) считывания/записи, чем ОЗУ. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах.

Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, то такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом.

Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содержанию (ассоциативные ЗУ).

Если запись в регистровую структуру производится через один регистр, а считывание - через другой, то такая память является аналогом задержки и работает по приципу "первым вошел - последним вышел" (FIFO-First Input, First Output).

Если же запись и чтение производится через один и тотже регистр, то такое усройство называется стековой памятью, работающее по принципу "первым вошел-последним вышел" (FILO-First Input, Last Output).

Стековая память получила широкое распространение. Для ее реализации в ОЗУ посредством программ операционной системы выделяется часть памяти под стек.Специальный регистр МП (указатель стека) постоянно хранит адрес ячейки ОЗУ, выполняющий функции вершины стека. Чтение числа всегда производится из вершины стека, после чего указатель стека изменяется и указывает на очередную ячейку стековой памяти.

В микропроцессорах ассоциативные ЗУ (память с выборкой по содержанию ) используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОЗУ за следующей командой или требуемым операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес, если искомая информация имеется в СОЗУ, то она сразу будет выдана. Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОЗУ, а это позволяет экономить время, так как обращение к СОЗУ требует в 2-10 раз меньше времени, чем обращение к ОЗУ.

Кэш-память может быть размещена в кристалле процессора (так называемая "кэш-память I уровня") или выполнена в виде отдельной микросхемы (внешняя кэш-память или кэш-память II уровня). Встроенная кэш-память (I уровня) в процессорах Pentium имеет объём около 16 Кбайт, время доступа - 5 - 10 нс, работает с 32-битными словами и при частотах 75 - 166 МГц обеспечивает пропускную способность от 300 до 667 Мбайт/с. внешняя кэш-память (II уровня) имеет объём 256 Кбайт - 1 Мбайт, время доступа 15 нс, работает с 64-битными словами при частоте 66 МГц обеспечивает максимальную пропускную способность 528 Мбайт/с.

2.10. Кеширование оперативной памяти. Уровни Кеша.

Наиболее часто термин кеш-память используется для обозначения кеш-памяти, находящейся между регистрами центрального процессора (ЦП) и оперативной памятью (ОЗУ).

Кеш-память может давать значительный выигрыш в производительности, потому что в настоящее время тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кеш-памяти обычно не намного меньше частоты ЦП.

Разделение кеш-памяти на несколько уровней (до 3 для универсальных процессоров по состоянию на начало 2007 года). Кеш-память уровня N+1 всегда больше по размеру и медленнее по скорости обращения, чем кеш-память уровня N.

Самой быстрой памятью является кеш-память первого уровня (она же L1-cache), по сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков, без нее процессор не сможет функционировать. Память L1 работает на частоте процессора и в общем случае обращение к ней может производится каждый такт (зачастую является возможным выполнять даже несколько чтений/записей одновременно), латентность доступа обычно равна 2-4 такта ядра, объем этой памяти обычно невелик — не более 64Кб. Второй по быстродействию является L2 (в отличие от L1 ее можно отключить с сохранением работоспособности процессора), кеш второго уровня, она обычно расположена либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, например, в процессорном картридже (только в слотовых процессорах), в старых процессорах ее располагали на системной плате. Объем L2 побольше — от 128Кб до 1—4Мб. Обычно латентность L2 расположенной на кристалле ядра составляет от 8 до 20 тактов ядра. Кеш третьего уровня наименее быстродействующий и обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но он может быть очень внушительного размера и всё равно значительно быстрее чем оперативная память.