ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.06.2021
Просмотров: 130
Скачиваний: 1
Тема 4. Организация памяти ЭВМ
Лекция 10. Общая характеристика видов памяти.
1. Стековая, ассоциативная и кэш память
2. Внешняя память
1. Стековая, ассоциативная и кэш память
Стековая память обеспечивает такой режим работы, когда информация записывается и считывается по принципу «последним записан – первым считан» (LIFO – Last In First Out). Память с подобной организацией широко применяется для запоминания и восстановления содержимого регистров процессора (контекста) при обработке подпрограмм и прерываний. Работу стековой памяти поясняет рис. 1
Рис. 1. Принцип организации стековой памяти
Ассоциативная память
В рассмотренных ранее видах запоминающих устройств доступ к информации требовал указания адреса ячейки. Зачастую значительно удобнее искать информацию не по адресу, а опираясь на какой-нибудь характерный признак, содержащийся в самой информации. Такой принцип лежит в основе ЗУ, известного как ассоциативное запоминающее устройство (АЗУ).
Ассоциативное ЗУ – это устройство, способное хранить информацию, сравнивать ее с некоторым заданным образцом и указывать на их соответствие или несоответствие друг другу. Признак, по которому производится поиск информации, называется ассоциативным признаком, а кодовая комбинация, выступающая в роли образца для поиска, – признаком поиска. Ассоциативный признак может быть частью искомой информации или дополнительно придаваться ей. В последнем случае его принято называть тегом или ярлыком.
Один из вариантов построения ассоциативной памяти показан на рис. 2.
АЗУ включает в себя:
запоминающий массив для хранения N m-разрядных слов, в каждом из которых несколько младших разрядов занимает служебная информация;
регистр ассоциативного признака, куда помещается код искомой информации (признак поиска). Разрядность регистра k обычно меньше длины слова т
схемы совпадения, используемые для параллельного сравнения каждого бита всех хранимых слов с соответствующим битом признака поиска и выработки сигналов совпадения;
регистр совпадений, где каждой ячейке запоминающего массива соответствует один разряд, в который заносится единица, если все разряды соответствующей ячейки совпали с одноименными разрядами признака поиска; регистр маски, позволяющий запретить сравнение определенных битов; комбинационную схему, которая на основании анализа содержимого регистра совпадений формирует сигналы, характеризующие результаты поиска информации.
Рис. 2. Организация ассоциативной памяти
При обращении к АЗУ сначала в регистре маски обнуляются разряды, которые не должны учитываться при поиске информации. Все разряды регистра совпадений устанавливаются в единичное состояние. После этого в регистр ассоциативного признака заносится код искомой информации (признак поиска) и начинается ее поиск, в процессе которого схемы совпадения одновременно сравнивают первый бит всех ячеек запоминающего массива с первым битом признака поиска. Те схемы, которые зафиксировали несовпадение, формируют сигнал, переводящий соответствующий бит регистра совпадений в нулевое состояние. Так же происходит процесс поиска и для остальных незамаскированных битов признака поиска. В итоге единицы сохраняются лишь в тех разрядах регистра совпадений, которые соответствуют ячейкам, где находится искомая информация. Конфигурация единиц в регистре совпадений используется в качестве адресов, по которым производится считывание из запоминающего массива.
Из-за того, что результаты поиска могут оказаться неоднозначными, содержимое регистра совпадений подается на комбинационную схему, где формируются сигналы, извещающие о том, что искомая информация:
а0 – не найдена;
а1 – содержится в одной ячейке;
а2 — содержится более чем в одной ячейке.
Формирование содержимого регистра совпадений и сигналов а0, а1, а2 носит название операции контроля ассоциации. Она является составной частью операций считывания и записи, хотя может иметь и самостоятельное значение.
При считывании сначала производится контроль ассоциации по аргументу поиска. Затем, при а0 = 1 считывание отменяется из-за отсутствия искомой информации, при а1 = 1 считывается слово, на которое указывает единица в регистре совпадений, а при а2 = 1 сбрасывается самая старшая единица в регистре совпадений и извлекается соответствующее ей слово. Повторяя эту операцию, можно последовательно считать все слова.
Запись в АП производится без указания конкретного адреса, в первую свободную ячейку. Для отыскания свободной ячейки выполняется операция считывания, в которой не замаскированы только служебные разряды, показывающие, как давно производилось обращение к данной ячейке, и свободной считается либо пустая ячейка, либо та, которая дольше всего не использовалась.
Главное преимущество ассоциативных ЗУ определяется тем, что время поиска информации зависит только от числа разрядов в признаке поиска и скорости опроса разрядов и не зависит от числа ячеек в запоминающем массиве.
Кэш-память
М. Уилксом в 1965 году было предложено использование двухуровневой быстродействующая буферная памяти между ОП и процессором. В процессе работы такой системы в буферную память копируются те участки ОП, к которым производится обращение со стороны процессора. В общепринятой терминологии – производится отображение участков ОП на буферную память. Выигрыш достигается за счет свойства локальности – если отобразить участок ОП в более быстродействующую буферную память и переадресовать на нее все обращения в пределах скопированного участка, то можно добиться существенного повышения производительности ВМ.
Уилкс называл рассматриваемую буферную память подчиненной. Позже распространение получил термин кэш-память (от английского слова cache – убежище, тайник), поскольку такая память обычно скрыта от программиста в том смысле, что он не может ее адресовать и может даже вообще не знать о ее существовании. Впервые кэш-системы появились в машинах модели 85 семейства IBM 360.
Когда ЦП пытается прочитать слово из основной памяти, сначала осуществляется поиск копии этого слова в кэше. Если такая копия существует, обращение к ОП не производится, а в ЦП передается слово, извлеченное из кэш-памяти. Данную ситуацию принято называть успешным обращением или попаданием (hit). При отсутствии слова в кэше, то есть при неуспешном обращении – промахе (miss), – требуемое слово передается в ЦП из основной памяти, но одновременно из ОП в кэш-память пересылается блок данных, содержащий это слово.
На рис. 3 приведена структура системы с основной и кэш-памятью.
Рис. 3. Принцип взаимодействия основной и кэш памяти
ОП состоит из 2n адресуемых слов, где каждое слово имеет уникальный n-разрядный адрес. При взаимодействии с кэшем эта память рассматривается как М блоков фиксированной длины по К слов в каждом (М = 2n /К). Кэш-память состоит из С блоков аналогичного размера (блоки в кэш-памяти принято называть строками), причем их число значительно меньше числа блоков в основной памяти (С << М). При считывании слова из какого-либо блока ОП этот блок копируется в одну из строк кэша. Поскольку число блоков ОП больше числа строк, отдельная строка не может быть выделена постоянно одному и тому же блоку ОП. По этой причине каждой строке кэш-памяти соответствует тег (признак), содержащий сведения о том, копия какого блока ОП в данный момент хранится в данной строке. В качестве тега обычно используется часть адреса ОП.
На эффективность применения кэш-памяти в иерархической системе памяти влияет целый ряд моментов. К наиболее существенным из них можно отнести:
емкость кэш-памяти (при малом размере кэша-памяти в нее записываются маленькие порции данных и увеличивается число контекстных переключений процессора, а при большом объеме – увеличивается время на поиск области данных);
размер строки (обычно выбирается равным ширине шины, связывающей кэш-память с основной памятью);
способ отображения основной памяти на кэш- память (сущность отображения блока основной памяти на кэш-память состоит в копировании этого блока в какую-то строку кэш-памяти, после чего все обращения к блоку в ОП должны переадресовываться на соответствующую строку кэш-памяти. Удачным может быть признан лишь такой способ отображения, который одновременно отвечает трем требованиям: обеспечивает быструю проверку кэш-памяти на наличие в ней копии блока основной памяти; обеспечивает быстрое преобразование адреса блока ОП в адрес строки кэша; реализует достижение первых двух требований наиболее экономными средствами. Известные варианты отображения основной памяти на кэш можно свести к трем видам (рис. 4-6): прямому, полностью ассоциативному и частично-ассоциативному, причем последний имеет две модификации – множественно-ассоциативное отображение и отображение секторов).
Рис. 4. Организация кэш-памяти с прямым отображением
Рис. 5. Кэш-память с ассоциативным отображением
Рис. 6. Кэш-память с множественно-ассоциативным отображением
Алгоритм замещения информации в заполненной кэш-памяти (основная цель стратегии замещения – удерживать в кэш-памяти строки, к которым наиболее вероятны обращения в ближайшем будущем, и заменять строки доступ к которым произойдет в более отдаленном времени или вообще не случится. Очевидно, что оптимальным будет алгоритм, который замещает ту строку, обращение к которой в будущем произойдет позже, чем к любой другой строке кэша. Однако такое предсказание практически нереализуемо. Вне зависимости от используемого алгоритма замещения для достижения высокой скорости он должен быть реализован аппаратными средствами);
алгоритм согласования содержимого основной и кэш-памяти (в процессе вычислений ЦП может не только считывать имеющуюся информацию, но и записывать новую, обновляя тем самым содержимое кэш-памяти. С другой стороны, многие устройства ввода/вывода умеют напрямую обмениваться информацией с основной памятью. В обоих вариантах возникает ситуация, когда содержимое строки кэша и соответствующего блока ОП перестает совпадать. В результате на связанное с основной памятью устройство вывода может быть выдана «устаревшая» информация, поскольку все изменения в ней, сделанные процессором, фиксируются только в кэш-памяти, а процессор будет использовать старое содержимое кэш-памяти вместо новых данных, загруженных в ОП из устройства ввода);
число уровней кэш-памяти (L1, L2, L3, дисковыйкэш).
2. Внешняя память
Важным звеном в иерархии запоминающих устройств является внешняя, или вторичная память, реализуемая на базе различных ЗУ. Наиболее распространенные виды таких ЗУ – это магнитные и оптические диски и магнитоленточные устройства.
Магнитные диски
Информация в ЗУ на магнитных дисках (МД) хранится на плоских металлических или пластиковых пластинах (дисках), покрытых магнитным материалом. Данные записываются и считываются с диска с помощью электромагнитной катушки, называемой головкой считывания/записи, которая в процессе считывания и записи неподвижна, в то время как диск вращается относительно нее. При записи на головку подаются электрические импульсы, намагничивающие участок поверхности под ней, причем характер намагниченности поверхности различен в зависимости от направления тока в катушке. Считывание базируется на электрическом токе наводимом в катушке головки, под воздействием перемещающегося относительно нее магнитного поля. Когда под головкой проходит участок поверхности диска в катушке наводится ток той же полярности, что использовался для записи информации.
Организация данных и форматирование
Данные на диске организованы в виде набора концентрических окружностей, называемых дорожками (рис. 7).
Каждая из них имеет ту же ширину, что и головка Соседние дорожки разделены промежутками. Это предотвращает ошибки из-за смещения головки или из-за интерференции магнитных полей. Как правило, для упрощения электроники принимается, что на всех дорожках может храниться одинаковое количество информации. Таким образом, плотность записи увеличивается от внешних дорожек к внутренним.
Обмен информацией с МД осуществляется блоками. Размер блока обычно меньше емкости дорожки, и данные на дорожке хранятся в виде последовательных областей – секторов, разделенных между собой промежутками. Размер сектора равен минимальному размеру блока.
Рис. 7. Порядок размещения информации на диске
Типовое число секторов на дорожке колеблется от 10 до 100. При такой организации должны быть заданы точка отсчета секторов и способ определения начала и конца каждого сектора. Все это обеспечивается с помощью форматирования, в ходе которого на диск заносится служебная информация, недоступная пользователю и используемая только аппаратурой дискового ЗУ.
Пример разметки М Д показан на рис. 8.
Рис. 8. Формат дорожки магнитного диска (Seagate ST506)
Здесь каждая дорожка включает в себя 30 секторов по 600 байт в каждом. Сектор хранит 512 байт данных и управляющую информацию, нужную для контроллера диска. Поле заголовка содержит информацию, служащую для идентификации сектора. Байт синхронизации представляет собой характерную двоичную комбинацию, позволяющую определить начало поля. Номер дорожки определяет дорожку на поверхности. Если в накопителе используется несколько дисков, то номер головки определяет нужную поверхность. Поле заголовка и поле данных содержат также код циклического контроля, позволяющий обнаружить ошибки. Обычно этот код формируется последовательным сложением по модулю 2 всех байтов, хранящихся в поле.
Оптическая память
В 1983 году была представлена первая цифровая аудиосистема на базе компакт-дисков (CD – compact disk). Компакт-диск – это односторонний диск, способный хранить более чем 60-минутную аудиоинформацию. Громадный коммерческий успех CD способствовал развитию технологии дешевых оптических запоминающих устройств для ВМ. За последующие годы были созданы различные системы памяти на оптических дисках, три из которых в прогрессирующей степени приживаются в вычислительных машинах: CD-ROM, WARM и стираемые оптические диски.
CD-ROM
Для аудио компакт-дисков и CD-ROM используется идентичная технология. Основное отличие состоит в том, что проигрыватели CD-ROM более прочные и содержат устройства для исправления ошибок, обеспечивающие корректность передачи данных с диска в ВМ. Диск изготавливается из пластмассы, например поликарбоната, и покрыт окрашенным слоем с высокой отражающей способностью, обычно алюминием. Цифровая информация заносится в виде микроскопических углублений в отражающей поверхности. Запись информации производится с помощью сильно сфокусированного луча лазера высокой интенсивности. Так создается так называемый мастер-диск, с которого затем печатаются копии. Углубления на копии защищаются от пыли и повреждений путем покрытия поверхности писка прозрачным лаком.
Информация с диска считывается маломощным лазером, расположенным в проигрывателе. Лазер освещает поверхность вращающегося диска сквозь прозрачное покрытие. Интенсивность отраженного луча лазера меняется, когда он попадает в углубление на диске. Эти изменения фиксируются фотодетектором и преобразуются в цифровой сигнал.
Углубления, расположенные ближе к центру диска, перемещаются относительно луча лазера медленнее, чем более удаленные. Из-за этого необходимы меры для компенсации различий в скорости так, чтобы лазер мог считывать информацию с постоянной скоростью.
Одно из возможных решений аналогично применяемому в магнитных дисках – увеличение расстояния между битами информации, в зависимости от ее расположения на диске. В этом случае диск может вращаться с неизменной скоростью и, соответственно, такие дисковые ЗУ известны как устройства с постоянной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity). Ввиду нерационального использования внешней части диска метод постоянной угловой скорости в CD-ROM не поддерживается. Вместо этого информация по диску размещается в секторах одинакового размера, которые сканируются с постоянной скоростью за счет того, что диск вращается с переменной скоростью. В результате углубления считываются лазером с постоянной линейной скоростью (CLV, Constant Linear Velocity). При доступе к информации у внешнего края диска скорость вращения меньше и возрастает при приближении к оси. Емкость дорожки и задержки вращения возрастают по мере смещения от центра к внешнему краю диска.