Введение.
Огромное место в современном мире занимают компьютеры – специальные машины, выполняющие множество различных операций с недоступной для человека скоростью и точностью. Одним из важнейших устройств компьютера является память. Попытаемся разобраться в видах и классах памяти компьютера.
Классы памяти.
Память была одним из первых устройств компьютера (далее ОЗУ – оперативное запоминающее устройство).
ЭВМ первого поколения были крайне ненадежными. Так, среднее врем работы до отказа для ЭВМ “ENIAC” составляла 30 минут. Скорость счета при этом была не сравнима со скоростью счета современных компьютеров. Поэтому требования к сохранению данных в памяти компьютера при отказе ЭВМ были строже, чем требования к быстродействию оперативной памяти. Вследствие этого в этих ЭВМ использовалась энергонезависимая память.
Энергонезависимая память позволяла хранить введенные в нее данные продолжительное время (до одного месяца) при отключении питания. Чаще всего в качестве энергонезависимой памяти использовались ферритовые сердечники. Они представляют собой тор, изготовленных из специальных материалов — ферритов. Ферриты характеризуются тем, что их намагниченность меняется не постепенно, а резко – скачками. Память на ферритовых сердечниках работала медленно и неэффективно: ведь на перемагничивание сердечника требовалось время и затрачивалось много электрической энергии. Поэтому с улучшением надежности элементной базы ЭВМ энергонезависимая память стала вытесняться энергозависимой — более быстрой, экономной и дешевой. Тем не менее, ученые разных стран по-прежнему ведут работы по поиску быстрой энергонезависимой памяти, которая могла бы работать в ЭВМ для критически важных приложений, прежде всего военных.
В отличие от памяти на ферритовых сердечниках полупроводниковая память энергозависимая. Это значит, что при выключении питания ее содержимое теряется.
Преимуществами же полупроводниковой памяти перед ее заменителями являются:
малая рассеиваемая мощность;
высокое быстродействие;
компактность.
Эти преимущества намного перекрывают недостатки полупроводниковой памяти, что делают ее незаменимой в ОЗУ современных компьютеров.
Триггером называют элемент на транзисторах, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 и 1), а по внешнему сигналу он способен менять состояние таким образом, триггер может служить ячейкой памяти, хранящей один бит информации. Любой триггер можно создать из трех основных логических элементов: И, ИЛИ, НЕ. Поэтому все, что относится к элементной базе логики, относится и к триггерам. Сама же память, основанная на триггерах, называется статической (SRAM). Логика на биполярных транзисторах самая быстрая, но одновременно самая дорогая и обладает высокой мощностью рассеивания.
Статическое ОЗУ — дорогой и неэкономичный вид ОЗУ. Поэтому его используют в основном для кэш-памяти, регистрах микропроцессорах и системах управления RDRAM
Для того, чтобы удешевить оперативную память, в 90-х годах XX века вместо дорогого статического ОЗУ на триггерах стали использовать динамическое ОЗУ (DRAM). Принцип устройства DRAM следующий: система металл-диэлектрик-полупроводник способна работать как конденсатор. Как известно, конденсатор способен некоторое время “держать” на себе электрический заряд. Обозначив “заряженное” состояние как 1 и “незаряженное” как 0, мы получим ячейку памяти емкостью 1 бит. Поскольку заряд на конденсаторе рассеивается через некоторый промежуток времени (который зависит от качества материала и технологии его изготовления), то его необходимо периодически “подзаряжать” (регенерировать), считывая и вновь записывая в него данные. Из-за этого и возникло понятие “динамическая” дл этого вида памяти.
Как уже отмечалось, для динамической оперативной памяти необходима периодическая ее регенерация. В компьютере это осуществляется централизовано: организуется цикл прямого чтения/записи содержимого динамического ОЗУ. Эта операция осуществляется с помощью специальной микросхемы. В процессе регенерации микропроцессор переходит в режим ожидания, что снижает производительность системы не менее чем на 5%.
Минимальный цикл обращения микропроцессора к оперативной памяти состоит из двух состояний шины. Подсчитано, что около 70% всех обращений процессора к шине компьютера составляет чтение команд, 20% — чтение и запись данных, и только оставшиеся 10% составляют обращения к устройствам ввода-вывода. Поэтому введение даже одного состояния ожидания при обращении к памяти значительно снижает производительность компьютера. Таким образом, существенный рост быстродействия системы может быть достигнут только при сбалансированной работе подсистемы памяти.
Для старых персональных компьютеров (на основе микропроцессоров Intel i8088, i8086, i80286 и процессоре i80386/20 МГц) была характерна одноуровневая система организации памяти. По этой системе разработчики были вынуждены устанавливать дешевые DRAM с быстродействием 80 —120 нс, либо применять дорогостоящие SRAM с быстродействием 40 —60 нс. Для сокращения среднего времени ожидания при обращении к операционной системе использовались (и используются в настоящее время) методы интерливинга и страничной организации.
В системе с интерливингом — расслоением адресов ячеек памяти — весь объем памяти делится на два или несколько банков. Двойные слова с последовательными адресами располагаются в разных банках. Во время считывания информации из оперативной памяти за один цикл можно организовать параллельное извлечение информации из разных блоков, что уменьшает количество циклов ожидания.
Преимущество систем с интерливингом проявляется при обращении к последовательным ячейкам и считывании сразу 32-х бит информации. В противном случае интерливинг не дает никаких преимуществ.
В системах со страничной организацией памяти вся память делится на фиксированные по размеру зоны адресов — страницы. Обращение к памяти в пределах страницы происходит без ожидания, а при смене страницы — как обычно, с состояниями ожидания.
При страничной организации память делится на строки и столбцы. Адрес обращения к двойному слову содержит 9-ти разрядный номер строки и 9-ти разрядный номер столбца. При обращении к странице сигнал выбора номера строки поддерживается неизменным, а сигнал выбора столбца переставляется на столбец, откуда нужно прочитать данные.
Страничная организация памяти требует для своей реализации особые микросхемы. Они имеют специальный режим – страничный доступ со статической выборкой столбцов (static column decode).
Кэш память
Для полной реализации потенциальных скоростных возможностей микропроцессоров используется многоуровневая иерархическая память. Она включает в себя быстродействующую кэш-память – SRAM. Кэш-память состоит из памяти данных, построенная на микросхемах SRAM, и контроллера кэша. В кэш-памяти хранится информация, копируемая из основной оперативной памяти. Каждый раз при обращении микропроцессора к памяти контроллер кэш-памяти проверяет наличие данных в кэше. Если эти данные в кэше есть (“попадание”), то микропроцессор получает данные из кэша. Если этих данных нет (“промах”), выполняется обычный цикл обращения к оперативной памяти DRAM.
Основным фактором, определяющим вероятность попадания, является емкость кэш-памяти. Как правило, при объеме кэша в 2 Кбайта вероятность попадания составляет от 50 до 60%. Поскольку размер кэш-памяти на современных компьютерах превышает 256 Кбайт, то вероятность попадания будет выше 90% (для компьютеров с объемом памяти ~ 16 Мбайт.)
Для реализации кэш-памяти в настоящее время разработаны эффективные однокристальные контроллеры. Наиболее широкое распространение получили контроллеры i82385 фирмы Intel и A38152 фирмы Asustec Microsystems.
Контроллер i82385 поддерживает 32 Кбайта кэш-памяти, и может работать в двух конфигурациях:
Кэш-память с прямым отображением.
Двухканальная модульно-ассоциативна кэш-память.
Первая конфигурация характеризуется простотой реализации, однако она оказывается неэффективной при работе в мультизадачных системах. В двухканальной реализации кэш-память разбивает все 4 Гбайтное адресное пространство на 262144 страницы по 16 Кбайт. 32-х разрядный физический адрес состоит из четырнадцатиразрядного адреса, определяющего информацию в кэш-памяти, и восемнадцатиразрядного тега, определяющего номер страницы. Каждый адрес оперативной памяти может быть отображен в одну из двух ячеек кэш-памяти.
Особенность контроллера кэш-памяти – обеспечение возможности параллельной работы микропроцессора с кэш-памятью и периферийных устройств с оперативной памятью в режиме прямого доступа. При записи данных по адресам, находящихся в кэше, контроллер ликвидирует копии этих блоков в кэше. Всю работу по синхронизации данных в DRAM и кэше берет на себя этот контроллер.
Однокристальный контроллер кэш-памяти фирмы ASUSTEC, совместно с памятью данных 32 Кбайта обеспечивает вероятность попадания более 95%. Это достигается благодаря использованию четырехканального модульно-ассоциативного обращения, который отображает адрес оперативной памяти в одну из четырех ячеек кэш-памяти. При этом, вследствие организации последовательного обращения к памяти данных, требуется подключение всего одного банка памяти данных.
Контроллер A38152 фирмы Asustec имеет аппаратные и программные средства, обеспечивающие связанность информации: логика слежения за шиной, которая обеспечивает ликвидацию копий блоков в кэш-памяти, задание области адресов, не отображаемой в кэш-память (например, для сопроцессора фирмы Weitec и устройств ввода/вывода).
На многих материнских платах можно выбирать между одноуровневой или многоуровневой системами организации памяти. По умолчанию устанавливается ражим многоуровневой памяти. Если Вы установите режим одноуровневой памяти, то кэш-память SRAM просто добавляется к адресному пространству основной оперативной памяти. Одноуровневую память лучше использовать, когда внутренний кэш процессора по объему превосходит емкость кэш-памяти на материнской плате.
Уже до появления микропроцессора i80486 фирмы Intel стало ясно, что скорость обмена данных процессор-память по системной шине происходит очень медленно даже при использовании внешней кэш-памяти. Поэтому уже в микропроцессоре i80486 фирма Intel стала использовать кэш-память, находящейся в самом процессоре. В процессоре i80486 осуществляется кэширование системных регистров — путем введения “теневых" регистров. Когда программа загружает селектор в системный регистр, процессор автоматически считывает (“кэширует”) нужный системный регистр в теневом регистре. После этого обращения к памяти достаточно сложить эффективный адрес с базовым адресом сегмента в теневом реестре, и получить линейный адрес. Это так называемый кэш первого уровня. В микропроцессоре Pentium кэшированию стали подвергать не только системные регистры, но и регистры данных и предвыборки команд.
Логическим продолжением явилось размещение кэш-памяти и ее контроллера не на материнской плате, а на самом процессоре. При этом решаются две задачи:
Упрощение шины передачи данных.
Появилась возможность работы кэш-памяти не на частоте шины, а на частоте процессора. При этом скорость работы кэш-памяти увеличивается.
Исходя из всего этого, в микропроцессоре Pentium стала использоватьс встроенная в него кэш-память второго уровня. Благодаря ней скорость работы процессора на тех же системных платах возросла. Необходимо, однако, отметить, что изготовление кэш-памяти второго уровня на кристалле процессора намного усложняет стоимость самого микропроцессора. Именно для недорогих моделей компьютеров фирма Intel стала изготовлять процессоры без кэша второго уровня или с кэш-памятью меньшего размера. Примером такого процессора являетс процессор Intel Celeron. Он аналогичен процессору Intel Pentium II, однако либо не содержит кэш второго уровня (в первых моделях), либо он небольшой (в новых версиях этого процессора.) Благодаря этому упала его цена и производительность.