Файл: Архитектура ЭВМ.doc

При оценке эффективности подобной организации памяти обычно использу­ют следующие характеристики:

• коэффициент попаданий (hit rate) — отношение числа обращений к памяти, при которых произошло попадание, к общему числу обращений к ЗУ данного уровня иерархии;

• коэффициент промахов (miss rate) — отношение числа обращений к памяти, при которых имел место промах, к общему числу обращений к ЗУ данного уровня иерархии;

• время обращения при попадании (hit time) — время, необходимое для поиска нужной информации в памяти верхнего уровня (включая выяснение, является ли обращение попаданием), плюс время на фактическое считывание данных;

• потери на промах (miss penalty) — время, требуемое для замены блока в памяти более высокого уровня на блок с нужными данными, расположенный в ЗУ сле­дующего (более низкого) уровня. Потери на промах включают в себя: время доступа (access time) — время обращения к первому слову блока при промахе и время пересылки (transfer time) — дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока. Время доступа обусловлено задержкой памяти более низко­го уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания ка­нала между ЗУ двух смежных уровней.

Описание некоторого уровня иерархии ЗУ предполагает конкретизацию четырех моментов:

• размещения блока — допустимого места расположения блока на примыкающем сверху уровне иерархии;

• идентификации блока — способа нахождения блока на примыкающем сверху уровне;

• замещения блока — выбора блока, заменяемого при промахе с целью освобож­дения места для нового блока;

• согласования копий (стратегии записи) — обеспечения согласованности копии одних и тех же блоков, расположенных на разных уровнях, при записи новой информации в копию, находящуюся на более высоком уровне.

Самый быстрый, но и минимальный по емкости тип памяти — это внутренние регистры ЦП, которые иногда объединяют понятием сверхоперативное запомина­ющее устройство — СОЗУ. Как правило, количество регистров невелико, хотя в архитектурах с сокращенным набором команд их число может доходить до не­скольких сотен. Основная память (ОП), значительно большей емкости, распола­гается несколькими уровнями ниже. Между регистрами ЦП и основной памятью часто размещают кэш-память, которая по емкости ощутимо проигрывает ОП, но существенно превосходит последнюю по быстродействию, уступая в то же время СОЗУ. В большинстве современных ВМ имеется несколько уровней кэш-памяти, которые обозначают буквой L и номером уровня кэш-памяти. На рис.40. показаны два таких уровня. В последних разработках все чаще появляется также третий уровень кэш-памяти (L3), причем разработчики ВМ говорят о целесообразности введения и четвертого уровня — L4. Каждый последующий уровень кэш-памяти имеет большую емкость, но одновременно и меньшее быстродействие по сравне­нию с предыдущим. Как бы то ни было, по «скорости» любой уровень кэш-памяти превосходит основную память. Все виды внутренней памяти реализуются на ос­нове полупроводниковых технологий и в основном, являются энергозависимыми.

Долговременное хранение больших объемов информации (программ и данных) обеспечивается внешними ЗУ, среди которых наиболее распространены запоми­нающие устройства на базе магнитных и оптических дисков, а также магнитоленточные ЗУ.

Наконец, еще один уровень иерархии может быть добавлен между основной памятью и дисками. Этот уровень носит название дисковой кэш-памяти и реали­зуется в виде самостоятельного ЗУ, включаемого в состав магнитного диска. Дис­ковая кэш-память существенно улучшает производительность при обмене инфор­мацией между дисками и основной памятью.

Иерархия может быть дополнена и другими видами памяти. Так, некоторые модели ВМ фирмы IBM включают в себя так называемую расширенную память (expanded storage), выполненную на основе полупроводниковой технологии, но имеющую меньшее быстродействие и стоимость по сравнению с ОП. Строго гово­ря, этот вид памяти не входит в иерархию, а представляет собой ответвление от нее, поскольку данные могут передаваться только между расширенной и основной памятью, но не допускается обмен между расширенной и внешней памятью.

Основная память

Основная память (ОП) представляет собой единственный вид памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно (исключение составляют лишь регистры Центрального процессора). Информация, хранящаяся па внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память. Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным досту­пом. Такие ЗУ образованы как массив ячеек, а «произвольный доступ» означает, что обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может производить­ся в произвольной последовательности. Каждая ячейка содержит фиксированное число запоминающих элементов и имеет уникальный адрес, позволяющий разли­чать ячейки при обращении к ним для выполнения операций записи и считыва­ния.

Следствием огромных успехов в области полупроводниковых технологий стало изменение элементной базы основной памяти. На смену ЗУ на базе ферромагнит­ных колец пришли полупроводниковые микросхемы, использование которых в наши дни стало повсеместным.

Основная память может включать в себя два типа устройств: оперативные за­поминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

В качестве первого критерия, по которому можно классифицировать запоминаю­щие устройства основной памяти, рассмотрим способ синхронизации. С этих по­зиций известные типы ЗУ подразделяются на синхронные и асинхронные.

В микросхемах, где реализован синхронный принцип, процессы чтения и запи­си (если это ОЗУ) выполняются одновременно с тактовыми сигналами контрол­лера памяти.

Асинхронный принцип предполагает, что момент начала очередного действия определяется только моментом завершения предшествующей операции. Перено­ся этот принцип на систему памяти, необходимо принимать во внимание, что кон­троллер памяти всегда работает синхронно. В асинхронных ЗУ цикл чтения начи­нается только при поступлении запроса от контроллера памяти, и если память не успевает выдать данные в текущем такте, контроллер может считать их только в следующем такте, поскольку очередной шаг контроллера начинается с приходом оче­редного тактового импульса. В последнее время асинхронная схема активно вы­тесняется синхронной.

Преимущественную долю основной памяти образует ОЗУ, называемое опера­тивным, потому что оно допускает как запись, так и считывание информации, причем обе операции выполняются однотипно, практически с одной и той же ско­ростью, и производятся с помощью электрических сигналов. В англоязычной литературе ОЗУ соответствует аббревиатура RAM — Random Access Memory, то есть «память с произвольным доступом», что не совсем корректно, поскольку па­мятью с произвольным доступом являются также ПЗУ и регистры процессора. Для большинства типов полупроводниковых ОЗУ характерна энергозависимость — даже при кратковременном прерывании питания хранимая информация теряется. Микросхема ОЗУ должна быть постоянно подключена к источнику питания и по- I этому может использоваться только как временная память.

Вторую группу полупроводниковых ЗУ основной памяти образуют энергоне­зависимые микросхемы ПЗУ (ROM — Read-Only Memory). ПЗУ обеспечивает считывание информации, но не допускает ее изменения (в ряде случаев информация в ПЗУ может быть изменена, но этот процесс сильно отличается от считывания и требует значительно большего времени).

Блочная организация основной памяти

Емкость основной памяти современных ВМ слишком велика, чтобы ее можно было реализовать на базе единственной интегральной микросхемы (ИМС). Необходи­мость объединения нескольких ИМС ЗУ возникает также, когда разрядность ячеек в микросхеме ЗУ меньше разрядности слов ВМ.

Увеличение разрядности ЗУ реализуется за счет объединения адресных вхо­дов объединяемых ИМС ЗУ. Информационные входы и выходы микросхем явля­ются входами и выходами модуля ЗУ увеличенной разрядности (рис. 41).

Полу­ченную совокупность микросхем называют модулем памяти. Модулем можно считать и единственную микросхему, если она уже имеет нужную разрядность. Один или несколько модулей образуют банк памяти.

Рис.45. Увеличение разрядности памяти

Для получения требуемой емкости ЗУ нужно определенным образом объеди­нить несколько банков памяти меньшей емкости. В общем случае основная память ВМ практически всегда имеет блочную структуру, то есть содержит несколько банков.

При использовании блочной памяти, состоящей из В банков, адрес ячейки А преобразуется в пару (b, ), где b — номер банка,  — адрес ячейки внутри банка. Известны три схемы распределения разрядов адреса A между b и :

блочная (номер банка b определяет старшие разряды адреса);

циклическая (b = A mod В;  = A div В);

блочно-циклическая (комбинация двух предыдущих схем).

Рассмотрение основных структур блочной ОП будем проводить на примере памяти емкостью 512 слов (2⁹), построенной из четырех банков по 128 слов в каждом, Типовая структура памяти, организованная в соответствии с блочной струк­турой, показана на рис. 42.

Рис. 46. Структура основной памяти на основе блочной схемы

Адресное пространство памяти разбито на группы последовательных адресов, и каждая такая группа обеспечивается отдельным банком памяти. Для обращения к ОП используется 9-разрядный адрес, семь младших разрядов которого (А₆ - А₀) поступают параллельно на все банки памяти и выбирают в каждом из них одну ячейку. Два старших разряда адреса (А₈, А₇) содержат номер банка. Выбор банка обеспечивается либо с помощью дешифратора номера банка памяти, либо путем мультиплексирования информации (на рис. 46. показаны оба варианта). В функ­циональном отношении такая ОП может рассматриваться как единое ЗУ, емкость которого равна суммарной емкости составляющих, а быстродействие — быстро­действию отдельного банка.