Материал: Уч_пос_АрхКомп_2017

6.6. Постоянные запоминающие устройства (пзу - rom)

Используется для хранения фиксированных микропрограмм, подпрограмм и констант (BIOS). По технологии изготовления и способу использования различают:

1. МПЗУ (масочное ПЗУ) – устройство, в котором запись информации осуществляется фирмой-изготовителем путем выжигания связей (участков) в процессе изготовления модуля памяти.

2. ППЗУ (программируемое ПЗУ (PROM)) – устройство, которое в исходном виде поставляяется пользователю, и он сам прошивает необходимые связи для записи требуемой информации с помощью специального прибора – программатора). После такой процедуры ППЗУ не может больше перепрошиваться.

3. ПППЗУ (перепрограммируемое ПЗУ (EPROM)) – это устройство аналогично ППЗУ, только с возможностью стирания информации ультрафиолетом в течение длительного времени (более 10 минут) и затем записи новой информации.

6.7. Ассоциативные запоминающие устройства (азу)

В отличие от других видов памяти доступ к информации в АЗУ осуществляется не по адресу размещения данного, а по содержимому – значению самого данного или его части. При этом в АЗУ хранимая информация сравнивается с некоторым образцом и проверяется их соответствие. Образец, по которому производится поиск информации, называется ассоциативным признаком. На рис. 6.4 показан вариант построения АЗУ, включающий:

1. память данных Х для хранения N m-разрядных слов;

2. регистр ассоциативного признака (разрядностью k ≤ m) для создания образца поиска;

3. регистр маски, позволяющий исключить из признака поиска определенные биты;

4. схемы совпадения, реализующие параллельное сравнение каждого битавсех слов памяти данных с соответствующим битомпризнака поиска и выработки сигналов совпадения;

5. регистр совпадений, каждый бит которого соответствует одной из ячеек памяти и в него заносится 1, если все разряды этой ячейки совпали с одноименными разрядами признака поиска;

6. комбинационная схема, формирующая сигналы, характеризующие результаты поиска.

Регистр ассоциативного

признака key [1..k], k ≤ m

Адрес считывания

Шифратор

Регистр маски R_m

Схемы

cовпадения

i = 1..N, j=1..k

Р с

е о

г в

и п

с а

т д

р е

н

и

й

6.8. Иерархическая система памяти

Для достижения компромисса между емкостью и быстродействием памяти, а также для снижения влияния разрыва в быстродействии процессора и пмяти, в современных коиьютерах память реализуется в виде иерархической системы, показанной на рис. 6.5. Более высокий уровень ЗУ харктеризуется большим быстродействием, меньшей емкостью и большей стоимостью хранения 1 бита информации.

Иерахическая система памяти состоит из следующих уровней:

1. Сверхоперативная память (СОЗУ), которая реализуется на регистрах процессора, а также Кэш – память 1 уровня размещаются на одном кристалле с процессором и являются наиболее быстрыми видами памяти.

2. Буферная память, создаваемая на основе Кэш – памяти 2 и 3 уровней, вместе с Кэшем 1 уровня служит для согласования скорости процессора и основной памяти. Образует с основной памятью систему буферизованной памяти. Для программиста эта память является прозрачной (скрытой), поэтому и называется кэш-памятью, она реализуется на биполярных элементах и размещается на одной плате с процессором. Для Гарвардской архитектуры буферная память может разделяться на кэш команд и кэш данных.

3. Основная память - блочно организованная память прямого доступа, обеспечивающая хранение системных и пользовательских программ и данных, выполняемых в текущем интервале времени.

4. Дисковый Кэш – буферная память, используемая для согласования быстродействия основной и дисковой памяти, реализуется на полупроводниковых элементах и может быть отдельным ЗУ, включаемым в состав НМЖД, или фрагментом основной памяти.

5. Дисковая магнитная память – медленная (по сравнению с ОП) память большой емкости, размещаемая на жестком диске (винчестере), и служащая либо для хранения программ и данных, не используемых в настоящее время, либо для расширения доступного программисту адресного пространства путем организации совместно с основной памятью системы виртуальной памяти.

6. Архивная память – многотомные накопители информации большого объема, реализуемые на магнитных лентах или оптических дисках. Имеют самое низкое быстродействие и предназначены для долговременного хранения данных без разрушения.

Процессор

(СОЗУ, Кэш1ур.)

Буферная память Система буферизации ОП

(Кэш 2ур.,Кэш 3ур.)

Основная память Система виртуальной памяти

Дисковый Кэш Система буферизации диска

Дисковая

магнитная

память

Оптические

диски

Р

Х

Магнитные И ленты В

Комбин схема

конт-роля

ассо-

циации

а₀

а₁ 1..N 1..N

а₂

Память данных Х X_i[j] &R_m[j] = key[j] &R_m[j] N-разрядное

(N m-разрядных слов) слово

Рис.6.4. Структура ассоциативного ЗУ

Поскольку результаты поиска могут быть неоднозначными, комбинационная схема контроля ассоциации по содержимому регистра совпадений формирует признаки a_i , показывающие, что:

1. а₀ - слово не найдено, 2) а₁ - найдено только 1слово, 3) а₂ - найдено много слов

При считывании данных производится контроль ассоциации и при а₀ =1, считывание отменяется,

при а₁ =1 считывается слово, на которое указывает 1 в регитсре совпадений, а при а₂ = 1 сбрасывается самая старшая 1 в регистре совпадений и извлекается соответствующее ей слово памяти данных. Повторяя последнюю операцию можно считать все слова.

Основными преимуществами АЗУ является высокое быстродействие за счет параллельного поиска и то, что время поиска зависит только от числа разрядов в признаке поиска и скорости опроса разрядов и не зависит от числа ячеек N памяти данных. С другой стороны, большие затраты оборудования на реализацию параллельного сравнения данных с признаком поиска позволяют использовать АЗУ только как буферную память небольшой емкости (чаще всего как Кэш 1-го уровня).

9. Организация кэш-памяти.

Использование кэш-памяти основано на свойстве локальности программ по обращению, имющем три составляющих:

1. Пространственная локальность программ, заключающаяся в том, что при выборке команд из памяти адрес очередной команды либо следует непосредственно за адресом предыдущей, либо находится вблизи него;

2. Пространственная локальность данных, связанная с тем, что за счет широкого использования структурированных данных при обращении к данным, как правило, используются последовательные ячейки памяти;

3. Временная локальность программ, заключающаяся в том, что в течение достаточно длительных интервалов времени исполняемая программа использует сравнительно небольшой диапазон адресов команд и\или небольшой диапазон адресов данных. Это обусловлено наличием в программе циклов и подпрограмм, а также необходимостью длительной обработки массивов данных.

Идея использования кэша как буферной памяти заключается в наличии двух видов памяти:

быстрой памяти малой емкости М₁ (n₁, tобр₁) и медленной памяти большой емкости М₂ (n₂, tобр₂), параметры которых: число ячеек - n_i и время обращения tобр_i характеризуются неравенствами

n₁ << n₂ и t _обр1 << t _обр2.

Если данные имеются в быстрой кэш-памяти, то они выбираются за время t _обр1, а если отсутствуют, то за время t _обр1 + t _обр2 данные выбираются из основной памяти и одновременно подгружаются в кэш-память.

Если благодаря свойству локальности удается исполняемый фрагмент программы и обрабатываемый массив данных разместить в кэш-памяти, то вероятность 0 <  << 1 отсутствия команд или данных в кэш - памяти удается сделать достаточно малой - обычно   0.02…0.05. Тогда среднее время обращения к такой системе буферизованной памяти будет

М {t _обр} = (1 - ) * t _обр1 +  * (t _обр1 + t _обр2) = t _обр1 +* t _обр2  t _обр1

Поскольку емкость кэш-памяти значительно меньше емкости основной памяти (ОП), то эпизодически происходит обмен информацией между КЭШем и ОП, чтобы в КЭШе оказывалась актуальная на данное время информация. При этом обмен происходит блоками одинакового размера, которые в кэш-памяти принято называть строками. Когда процессор пытается выбрать слово из памяти, то сначала он ищет это слово в КЭШе и если находит, то выбирает его из КЭШа. Такая ситуация называется попаданием (hit), а при отсутствии слова в КЭШе возникает ситуация промах ( miss) и слово выбирается из ОП. Одновременно из ОП в кэш-память пересылается блок данных, содержащий это слово.

Так как число блоков ОП больше числа строк КЭШа, строка КЭШа не может быть выделена постоянно одному блоку ОП. Поэтому каждой строке КЭШа соответствует признак (тег), показывающий, копия какого блока ОП хранится в ней в данное время. В качестве тега обычно используется часть адреса ОП. При этом для разных типов (уровней) КЭШа применяются различные способы отображения ОП на кэш-память.

Рассмотрим различные способы отображения блоков ОП на кэш-память на следующем примере.

С_оп = 256 Кслов=2¹⁸ слов, С_кэш = 2 Кслов=2¹¹ слов, С_блока = 16 слов (С - емкость);

М_оп = N_бл.оп. = 256К/16 = 16K = 2¹⁴ блоков., М_кэш = 2К/16 = 128 = 2⁷ блоков (М – число блоков);

L_адр.оп = 18бит = 14бит (адрес блока ОП) { 7бит (тег) +7бит (строка кэша)} + 4бит (слово в блоке)

L_{адр.кэш} = 11бит= 7бит (адрес строки кэша) + 4бит (слово в блоке) (L – длина адреса в битах)