
- •Оглавление
- •Введение (новый весь раздел)
- •Архитектуры, характеристики, классификация эвм
- •Однопроцессорные архитектуры эвм
- •Конвейерная обработка команд из раздела 3.5
- •Cуперскалярная обработка из раздела 1.1.1 с дополнением
- •Архитектура sisd
- •Vliw-архитектура
- •Simd-архитектура
- •Многоядерные структуры процессора и многопотоковая обработка команд
- •Технические и эксплуатационные характеристики эвм
- •Классификация эвм
- •Классификация эвм по назначению
- •Классификация эвм по функциональным возможностям
- •Функциональная и структурная организация эвм
- •Обобщенная структура эвм и пути её развития
- •Типы данных
- •Структура и форматы команд эвм
- •Способы адресации информации в эвм
- •2.4.1. Абсолютные способы формирования исполнительного адреса
- •2.4.2. Относительные способы формирования исполнительных адресов ячеек памяти
- •Примеры форматов команд и способов адресации
- •Форматы команд и способы адресации в интеловских процессорах
- •Форматы команд и способы адресации в risc-процессорах
- •Особенности системы команд ia-64
- •Раздел 2.6 перенесен из раздела 3.6 предыдущего пособия
- •Принципы организации системы прерывания программ
- •ФункциональнаЯ и структурнаЯ организация центрального процессора эвм
- •НИзменен номер азначение и структура центрального процессора
- •Назначение, классификация и организация цуу
- •Регистровые структуры процессоров amd64 (Intel64)
- •Регистровые структуры процессоров ia-64
- •Структурная организация современных универсальных микропроцессоров
- •Стратегия развития процессоров Intel
- •Особенности многоядерной процессорной микроархитектуры Intel Core
- •Микроархитектура Intel Nehalem
- •Семейство процессоров Intel Westmere
- •Микроархитектура amd к10
- •Современное состояние и перспективы развития микропроцессоров для Unix-серверов
- •Микропроцессоры семейства Ultra sparc
- •Микропроцессор ibm power 7
- •Микропроцессор Intel Itanium 9300 (Tukwila)
- •Микропроцессор Intel Nehalem ex
- •Принципы организации подсистемы памяти эвм и вс
- •Иерархическая структура памяти эвм
- •Организация стека регистров
- •Способы организации кэш-памяти
- •Типовая структура кэш-памяти
- •Способы размещения данных в кэш-памяти
- •Методы обновления строк основной памяти и кэша
- •Методы замещения строк кэш-памяти
- •МУбран абзац ногоуровневая организация кэша
- •Принципы организации оперативной памяти
- •Общие положения
- •Методы повышения пропускной способности оп
- •М Изменён номер етоды управления памятью
- •ОИзменен номер рганизация виртуальной памяти
- •Методы ускорения процессов обмена между оп и взу
- •ОрганизациЯ системНого интерфейса и вВода-вывода информации
- •Общая характеристика и классификация интерфейсов
- •Способы организации передачи данных
- •Системная организация компьютеров на базе современных чипсетов
- •Системная организация на базе чипсетов компании Intel
- •Системная организация на базе чипсета amd
- •Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы
- •Архитектуры вычислительных систем
- •Сильносвязанные многопроцессорные системы
- •Слабосвязанные многопроцессорные системы
- •Список литературы
- •Организация эвм и систем
Принципы организации подсистемы памяти эвм и вс
Иерархическая структура памяти эвм
Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, предназначенных для запоминания, хранения и выдачи информации.
Основными характеристиками отдельных устройств памяти (запоминающих устройств) являются емкость памяти, быстродействие и стоимость хранения единицы информации (бита).
Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться. Ёмкость измеряется в двоичных единицах (битах), машинных словах, но большей частью в байтах (1 байт = 8 бит). Часто емкость памяти выражают через число К = 210 = 1024, например, 1024 бит = Кбит (килобит), 1024 байт = Кбайт (килобайт), 1024 Кбайт = 1 Мбайт (мегабайт), 1024 Мбайт = 1 Гбайт (гигабайт), 1024 Гбайт = 1 Тбайт (терабайт).
Быстродействие (задержка) памяти определяется временем доступа и длительностью цикла памяти. Время доступа представляет собой промежуток времени между выдачей запроса на чтение и моментом поступления запрошенного слова из памяти. Длительность цикла памяти определяется минимальным временем между двумя последовательными обращениями к памяти.
Т
Убрано предложение
Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называется соответственно «попаданием» (hit) или «промахом» (miss). Попадание есть обращение к объекту в памяти, который найден на более высоком уровне в то время, как промах означает, что он не найден на этом уровне. Доля попаданий или коэффициент попаданий есть доля обращений, найденных на более высоком уровне. Иногда она представляется в процентах. Аналогично для промахов.
Рис. 4.1. Иерархическая структура памяти
Сравнительно небольшая емкость оперативной памяти компенсируется практически неограниченной емкостью внешних запоминающих устройств. Однако эти устройства работают намного медленнее, чем оперативная память. Время обращения за данными для магнитных дисков составляет десятки микросекунд. Для сравнения: цикл обращения к оперативной памяти (ОП) составляет несколько десятков наносекунд. Исходя из этого, вычислительный процесс должен протекать с возможно меньшим числом обращений к внешней памяти. Память современных компьютеров реализуется на микросхемах статических и динамических запоминающих устройств с произвольной выборкой. Микросхемы статических ЗУ (SRAM) имеют меньшее время доступа и не требуют циклов регенерации (восстановления) информации. Микросхемы динамических ЗУ (DRAM) характеризуются большей емкостью и меньшей стоимостью, но требуют схем регенерации и имеют значительно большее время доступа. У статических ЗУ время доступа совпадает с длительностью цикла.
По этим причинам в основной памяти практически любого компьютера, проданного после 1975 года, использовались полупроводниковые микросхемы DRAM (SDRAM, DDR SDRAM, RDRAM). Для построения кэш-памяти применяются SRAM.
Непрерывный рост производительности ЭВМ проявляется, в первую очередь, в повышении скорости работы процессора. Быстродействие ОП также растет, но все время отстает от быстродействия аппаратных средств процессора в значительной степени потому, что одновременно происходит опережающий рост её емкости, что делает более трудным уменьшение времени цикла работы памяти. Вследствие этого быстродействие ОП часто оказывается недостаточным для обеспечения требуемой производительности ЭВМ. Это проявляется в несоответствии пропускных способностей процессора и ОП. Возникающая проблема выравнивания их пропускных способностей решается путем использования сверхоперативной буферной памяти небольшой емкости и повышенного быстродействия, хранящей команды и данные, относящиеся к обрабатываемому участку программы.
При обращении к блоку данных, находящемуся на оперативном уровне, его копия пересылается в сверхоперативную буферную память (СБП). Последующие обращения производятся к копии блока данных, находящейся в СБП. Поскольку время выборки из сверхоперативной буферной памяти tСБУ (несколько наносекунд) много меньше времени выборки из оперативной памяти tОП, введение в структуру памяти СБП приводит к уменьшению эквивалентного времени обращения tЭ по сравнению с tОП:
tЭ = tСБП + atОП ,
где a = (1 – q) и q – вероятность нахождения блока в СБП в момент обращения к нему, т. е. вероятность «попадания». Очевидно, что при высокой вероятности попадания эквивалентное время обращения приближается к времени обращения к СБП.
В основе такой организации взаимодействия ОП и СБП лежит принцип локальности обращений, согласно которому при выполнении какой-либо программы (практически для всех классов задач) большая часть обращений в пределах некоторого интервала времени приходится на ограниченную область адресного пространства ОП, причем обращения к командам и элементам данных этой области производятся многократно. Это позволяет копии наиболее часто используемых участков программ и некоторых данных загрузить в СБП и таким образом обеспечить высокую вероятность попадания q. Высокая эффективность применения СБП достигается при q ³ 0,9.
Буферная память не является программно доступной. Это значит, что она влияет только на производительность ЭВМ, но не должна оказывать влияния на программирование прикладных задач. Поэтому она получила название кэш-памяти (в переводе с английского – тайник). В современных компьютерах применяют многоуровневую кэш-память (до трех уровней), которая еще больше способствует производительности ЭВМ. Как правило, на первом уровне используются раздельные кэш-памяти для команд и данных, а на других уровнях данные и команды хранятся в одних и тех же кэш-памятях.