Основные технические характеристики памяти

Одними из основных характеристик памяти является емкость и быстродействие (время обращения к запоминающему устройству).

Время обращения к устройству зависит от типа памяти.

В некоторых запоминающих устройствах считывание данных сопровождается их разрушением. В этом случае цикл обращения к памяти всегда должен содержать регенерацию данных (ЗУ динамического типа). Этот цикл состоит из трех шагов:

1. время от начала операции обращения до того момента, как данные станут доступны (время доступа);

2. считывание;

3. регенерация.

Основные технические характеристики процедуры записи:

· время доступа;

· время подготовки (приведение в исходное состояние поверхности магнитного диска при записи);

· запись.

Максимальная длительность чтения-записи называется временем обращения к памяти.

По физическим основам все запоминающие устройства разделяются: полупроводниковые, магнитно-оптические и т.д.

Организация полупроводниковой памяти

С точки зрения функционального построения, любое запоминающее устройство такого типа представляет собой некоторый массив элементов памяти. Структурные элементы памяти образуют ячейки памяти. Ширина ячеек - ширина выборки из памяти. Структура модуля памяти определяется способом организации памяти (способ адресации).

Существует 3 разновидности организации памяти:

1. адресная память

2. память со стековой организацией

3. ассоциативная память

Random Access Memory - запоминающие устройства с произвольной выборкой

В адресной памяти, размещение и поиск информации в массиве запоминания, базируется на основе номера (адреса). Массив запоминания элементов содержит N n-разрядных слов, которые пронумерованы (0...N-1). Электронное обрамление включает в себя регистры для хранения адреса памяти, регистр информации (само слово), схемы адресной выборки (адресации), разрядные усилители для чтения и записи.

Рис. 8.1.

Цикл обращения таких устройств не зависит от того, в каком физическом месте ЗУ находятся требуемые данные. Такой способ доступа характерен для полупроводниковых ЗУ. Число записанных одновременно битов данных за одно обращение называют шириной выборки (доступа).

Рис. 8.2.

Основная память современных компьютеров реализуется на микросхемах статических и динамических RAM.

Статическая память

Память на основе микросхем, которые могут сохранять свое состояние лишь тех пор, пока к ним подключено питание, называется статической (Static RAM, SRAM). Может быть реализована на триггерах. Микросхемы статических SRAM имеют малое время доступа и не требуют циклов регенерации.

Статическая RAM работает быстро, но стоит очень дорого, поскольку каждая ее ячейка содержит несколько транзисторов. Вот почему выпускается еще и более дешевая память с более простой конструкцией ячеек. Однако эти ячейки не способны бесконечно долго сохранять свое состояние, поэтому такая память называется динамической (Dynamic RAM, DRAM).

Динамическая память

В ячейке динамической памяти информация хранится в форме заряда на конденсаторе, и этот заряд может сохраняться всего несколько десятков миллисекунд. Поскольку ячейка памяти должна хранить информацию гораздо дольше, ее содержимое должно периодически обновляться путем восстановления заряда на конденсаторе.

Рис. 8.3.

Ячейка динамической памяти, состоим из конденсатора С и транзистора Т. Для записи информации в эту ячейку включается транзистор Т и на линию бита подается соответствующее напряжение. В результате на конденсаторе образуется определенный заряд.

После выключения транзистора конденсатор начинает разряжаться. Это происходит из-за его собственного тока утечки, а также из-за того, что после выключения сопротивление транзистора велико, но все же конечно, поэтому он продолжает проводить ток. Полученная информация не содержит ошибок лишь в том случае, если она считывается из ячеек до того, как заряд конденсатора падает ниже определенного порогового значения. Операция чтения производится, когда транзистор выбранной ячейки включен. Соединенный с линией бита усилитель считывания определяет, превышает ли заряд конденсатора пороговое значение. Если да, он подает на линию бита напряжение, соответствующее значению 1. В результате конденсатор заряжается до напряжения, также соответствующего 1. Если заряд на конденсаторе ниже порогового значения, усилитель считывания снижает напряжение на линии бита до уровня "земли", обеспечивая тем самым отсутствие заряда (логическое значение 0) на конденсаторе. Таким образом, в процессе считывания содержимое ячейки автоматически обновляется (регенерируется). Все ячейки выбранной строки считываются одновременно, в результате чего обновляется содержимое всей строки.

Ко всем строкам всех микросхем DRAM основной памяти компьютера должны производиться периодические обращения в пределах определенного временного интервала порядка 10:60 наносекунд. Это требование кроме всего прочего означает, что система основной памяти компьютера оказывается иногда недоступной процессору, так как она вынуждена рассылать сигналы регенерации каждой микросхеме. Разработчики DRAM стараются поддерживать время, затрачиваемое на регенерацию, на уровне менее 5% общего времени. Обычно контроллеры памяти включают в свой состав аппаратуру для периодической регенерации DRAM.

В процессе развития DRAM с ростом их емкости основным вопросом стоимости таких микросхем был вопрос о количестве адресных линий и стоимости соответствующего корпуса. Было принято решение о необходимости мультиплексирования адресных линий, позволившее сократить наполовину количество контактов корпуса, необходимых для передачи адреса. Поэтому обращение к DRAM обычно происходит в два этапа: первый этап начинается с выдачи сигнала RAS - row-access strobe (строб адреса строки), который фиксирует в микросхеме поступивший адрес строки, второй этап включает переключение адреса для указания адреса столбца и подачу сигнала CAS - column-access stobe (строб адреса столбца), который фиксирует этот адрес и разрешает работу выходных буферов микросхемы. Названия этих сигналов связаны с внутренней организацией микросхемы, которая как правило представляет собой прямоугольную матрицу, к элементам которой можно адресоваться с помощью указания адреса строки и адреса столбца.

Емкость DRAM по грубым оценкам в 4 - 8 раз превышает емкость SRAM, но SRAM имеют в 8 - 16 раз меньшую длительность цикла и большую стоимость. По этим причинам в основной памяти практически любого компьютера используется полупроводниковые микросхемы DRAM (для построения кэш-памяти при этом применяются SRAM). Естественно были и исключения, например, в оперативной памяти суперкомпьютеров компании Cray Research использовались микросхемы SRAM.

Стековая память

Стековая память является безадресной. Все ячейки памяти организованы по принципу "первым вошел - последним вышел" (LIFO). Реализовано это таким образом, что для операций с памятью доступна только 0-я ячейка.

Каждая операция записи, инициируемая сигналом обращения к памяти, приводит к тому, что записанные данные помещаются в 0 ячейку памяти. При этом все ранние записи в памяти слова автоматически сдвигаются на 1 адрес ниже. Операция чтения, инициируемая сигналом обращения, приводит к тому, что на выходе памяти формируется значение слова, находящиеся в 0 ячейке памяти. При этом все имеющиеся слова сдвигаются на одно слово вверх. Счетчик стека нужен только для контроля заполнения и очищения стека. Техническая реализация стековой памяти оказывается сложнее адресной памяти. Стековая память используется достаточно широко. Чаще всего применяется не стековая память, а адресное поле, которое функционирует по принципу стека.

Ассоциативная память.

Исторически последняя. Является представителем многофункциональных запоминающих устройств (возможна обработка данных без процессора в памяти). Отличительная особенность - поиск любой информации в ЗМ производится не по адресу, а по ассоциативным признакам (признакам опроса). Поиск производится одновременно по всем ячейкам ЗМ.

С точки зрения структуры, любая основная память компьютера может быть построена, как одноблочная, либо как многоблочная (сейчас одноблочная память практически не используется). Многоблочную память строят из однотипных блоков.

Иерархия памяти

В основе реализации иерархии памяти современных компьютеров лежат два принципа: принцип локальности обращений и соотношение стоимость/производительность. Принцип локальности обращений говорит о том, что большинство программ к счастью не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.

Иерархия памяти современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем более высокий уровень меньше по объему, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и так далее, пока мы не достигнем основания иерархии.

Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени мы имеем дело только с двумя близлежащими уровнями. Минимальная единица информации, которая может либо присутствовать, либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком. Размер блока может быть либо фиксированным, либо переменным. Если этот размер зафиксирован, то объем памяти является кратным размеру блока.

Успешное или неуспешное обращение к более высокому уровню называются 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 (hit rate) или коэффициент попаданий (hit ratio) есть доля обращений, найденных на более высоком уровне. Иногда она представляется процентами. Доля промахов (miss rate) есть доля обращений, которые не найдены на более высоком уровне.

Поскольку повышение производительности является главной причиной появления иерархии памяти, частота попаданий и промахов является важной характеристикой. Время обращения при попадании (hit time) есть время обращения к более высокому уровню иерархии, которое включает в себя, в частности, и время, необходимое для определения того, является ли обращение попаданием или промахом. Потери на промах (miss penalty) есть время для замещения блока в более высоком уровне на блок из более низкого уровня плюс время для пересылки этого блока в требуемое устройство (обычно в процессор). Потери на промах далее включают в себя две компоненты: 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 связано с задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между устройствами памяти двух смежных уровней.

Чтобы описать некоторый уровень иерархии памяти надо ответить на следующие четыре вопроса:

1. Где может размещаться блок на верхнем уровне иерархии? (размещение блока).

2. Как найти блок, когда он находится на верхнем уровне? (идентификация блока).

3. Какой блок должен быть замещен в случае промаха? (замещение блоков).

4. Что происходит во время записи? (стратегия записи).