Лекция 7. Память. Организация памяти.

Память – одна из наиболее важных подсистем вычислительных машин. В первую очередь от памяти зависят функциональные возможности вычислительной машины как средства обработки данных. Организация и характеристики памяти существенно влияют на общетехнические показатели вычислительных машин: производительность, стоимость, надежность /1/.

7.1 Иерархическая организация памяти

Совокупность устройств, обеспечивающих запись, хранение и чтение информации в вычислительной машине, образует систему памяти /1/. Основные характеристики памяти /1, 4, 6/:

1) информационная ёмкость;

2) время доступа к информации – промежуток времени между началом обращения процессора за данными и моментом их появления на выходе памяти;

3) стоимость хранения единицы информации (бита).

Эти параметры находятся между собой в противоречии. Например, большая информационная ёмкость не сочетается с высоким быстродействием. А быстродействие, в свою очередь, не сочетается с низкой стоимостью. Поэтому системы памяти имеют обычно иерархическую многоступенчатую организацию с использованием различных устройств.

В иерархии памяти можно выделить следующие уровни /4/:

1) регистровая память – набор регистров процессора, благодаря которым уменьшается число обращений к другим уровням памяти, реализованным вне процессора и требующим большого времени для операций обмена информацией;

2) кэш – память (сверхоперативная память) – служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена; работа с кэш – памятью высокого быстродействия повышает производительность вычислительных машин;

3) основная память (оперативная, постоянная, полупостоянная) – работает в режиме обмена информацией с процессором и, по возможности, согласуется с ним по быстродействию; исполняемый в текущий момент фрагмент программы обязательно находится в основной памяти;

4) специализированные виды памяти, характерные для некоторых специфических архитектур (видеопамять, многопортовая память и т.д.);

5) внешняя память – позволяет хранить большие объёмы информации; реализуется обычно на основе устройств с подвижным носителем информации (магнитные и оптические диски, магнитные ленты и др.).

В некоторых источниках /8/ накопители на магнитных лентах и оптических дисках относят еще к одному уровню – архивной памяти.

Чем ниже уровень иерархии, тем выше быстродействие, но при этом также возрастает стоимость запоминающего элемента. На отдельных этапах решения какой-либо задачи в вычислительном процессе задействована относительно небольшая доля команд данных соответствующей программы. В процессе работы эту часть информации требуется обновлять. Это свойство и позволяет использовать в вычислительных системах устройства памяти с различным быстродействием. Выбор информационного объёма устройств памяти и организации обмена между ними проводятся в целях оптимизации соотношения стоимости к быстродействию всей системы памяти /1/.

Далее рассмотрим типичные сигналы простейшего запоминающего устройства и разновидности современных запоминающих устройств (ЗУ).

7.2 Классификация запоминающих устройств

Условное обозначение простейшего ЗУ и его типовые сигналы представлены на рисунке 7.1 /4/. Обозначение M (Memory) – устройство памяти.

A – адрес, разрядность которого n определяется числом ячеек памяти; является номером ячейки, к которой идёт обращение: , где N - количество ячеек устройства памяти.

Р исунок 7.1 – Условное обозначение и типовые сигналы простейшего ЗУ

CS (Chip Select) – сигнал, который разрешает или запрещает работу данной микросхемы.

R/W – сигнал, задающий выполняемую операцию (при единичном значении – чтение (Read), при нулевом – запись (Write)).

DI (Data Input) и DO (Data Output) – шины входных и выходных данных, разрядность которых m определяется разрядностью ячеек запоминающего устройства. В некоторых устройствах памяти эти линии объединены (обозначаются как DIO).

Вначале подаётся адрес, чтобы последующие операции не коснулись какой-либо ячейки, кроме выбранной. Затем разрешается работа микросхемы сигналом CS и подаётся сигнал чтения/записи R/W. В зависимости от вида операции, на выходе DO формируются считываемые данные или на ходе DI готовятся данные для записи.

Классифицировать ЗУ можно по различным признакам. Рассмотрим наиболее важные из них /4/.

По способу доступа ЗУ делятся на адресные, последовательные и ассоциативные.

1) При адресном доступе код на адресных входах указывает ячейку, с которой ведётся обмен информацией. В момент обращения все ячейки адресной памяти равнодоступны. Другие виды памяти часто строят на основе адресной памяти с соответствующими модификациями. В свою очередь адресные ЗУ по организации записи делятся на оперативные - ОЗУ (RAM – Random Access Memory) и постоянные – ПЗУ (ROM – Read Only Memory).

1.1) ОЗУ хранит данные, используемые при исполнении текущей программы, которые могут быть изменены в произвольный момент времени. ОЗУ является энергозависимым устройством.

По способу хранения информации ОЗУ делятся на статические и динамические.

1.1.1) В статических ОЗУ (SRAM – Static RAM) запоминающими элементами являются триггеры, сохраняющие своё состояние, пока схема находится под питанием и нет новой записи данных. Статические ОЗУ выполняются как однопортовые (возможны одновременные обращения только к одной ячейке) и многопортовые (возможны одновременные обращения более чем к одной ячейке). Кроме того, статические ОЗУ по возможности синхронизации с процессором делятся на асинхронные и синхронные.

1.1.1.1) В асинхронных ОЗУ после произвольного по времени обращения к памяти до выдачи данных проходит определённое время, которое не синхронизировано с работой процессора. Вследствие этого могут возникать дополнительные задержки обмена данными между памятью и процессором.

1.1.1.2) В синхронных ОЗУ длительности этапов работы памяти жёстко связаны с синхросигналами системы, что позволяет исключить потери времени при обмене данными между памятью и процессором, а также организовать конвейерную обработку данных. Таким образом, синхронность памяти является средством повышения её быстродействия.

1.1.2) В динамических ОЗУ (DRAM – Dynamic RAM) данные хранятся в виде зарядов конденсаторов; при этом конденсаторы должны периодически регенерироваться. Динамические ОЗУ имеют намного более высокую информационную ёмкость и в несколько раз дешевле статических ОЗУ, которые, в свою очередь, являются более быстродействующими.

В настоящее время именно динамические ОЗУ используются как основная память вычислительных машин. Статические ОЗУ используются для построения кэш-памяти, буферной памяти и т.п.

1.2) В ПЗУ содержимое либо не изменяется, либо изменяется редко и в специальном режиме.

1.2.1) Постоянная масочная память или масочное ПЗУ (ПЗУМ, ROM(M)) является однократно программируемой памятью; информация в неё записывается на промышленных предприятиях с помощью шаблона (маски). В дальнейшем содержимое ПЗУМ не изменяется.

1.2.2) Программируемая пользователем память или программируемое ПЗУ (ППЗУ, PROM) делится на программируемую однократно и программируемую многократно. В первом случае информация однократно перезаписывается потребителем в лабораторных условиях с помощью программаторов. Во втором случае содержимое может быть изменено либо в лабораторных условиях либо в специальных режимах. Популярная в настоящее время FLASH-память относится к многократно программируемым ПЗУ, хотя и обладает рядом особенностей, позволяющих выделить её в отдельный вид памяти; более подробно будет рассмотрена ниже.

2) В устройствах памяти с последовательным доступом записываемые данные образуют некоторую очередь. Считывание происходит из очереди слово за словом либо в порядке записи (FIFO – First Input First Output), либо в обратном порядке (LIFO – Last Input First Output). Моделью такого запоминающего устройства является последовательная цепочка запоминающих элементов, в которой данные передаются между соседними элементами. По способу организации очереди последовательные ЗУ делятся на следующие виды:

2.1) Буфер FIFO (принцип описан выше).

2.2) Буфер LIFO (принцип описан выше).

2.3) Файловое ЗУ – записываемые данные объединяются в специальные блоки (файлы). Чтение данных из файлового ЗУ осуществляется в прямом порядке и начинается после обнаружения приёмником символа начала блока.

2.4) Циклическое ЗУ – данные доступны одно за другим с постоянным периодом, определяемым ёмкостью памяти. К циклическим ЗУ относятся, например, видеопамять, буфер клавиатуры.

3) Ассоциативный доступ реализует поиск информации по некоторому признаку, а не по её расположению в памяти (адресу или месту в очереди). Основная область применения ассоциативное памяти в вычислительных машинах – кэширование данных.

Среди перспективных ЗУ следует отметить /4/:

1) ЗУ ферроэлектрического типа (FRAM – Ferroelectric RAM), имеющие высокие ёмкость и быстродействие, а также обладающие свойствами энергонезависимости.

2) Магниторезисторные ЗУ (MRAM – Magnetoresistive RAM), обладающие свойствами естественной энергонезависимости, а также неразрушающего чтения.

Для более широкого внедрения указанных выше ЗУ в качестве памяти вычислительных машин необходимо решить некоторые проблемы, что требует дальнейших исследований свойств данных ЗУ /4/.

Более подробно рассмотрим принципы организации адресной памяти, памяти с последовательным доступом, ассоциативной памяти.