Основная память(ОП). Структурная схема ОЗУ

Тема 7. Память ЭВМ

Цель изучения темы: ознакомить студентов с принципами построения различных видов памяти.

Содержание:

1. Основная память. Структурная схема ОЗУ.

2. Иерархия памяти.

3. Стековая память. Кэш-память первого, второго уровней.

4. Принципы организации основной памяти в современных компьютерах.

5. Виртуальная память.

Основная память(ОП). Структурная схема ОЗУ

Комплекс технических средств, реализующих функции памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ делятся на основную память (ОП), сверхоперативную память (СОЗУ) и внешние запоминающие устройста (ВЗУ). ОП состоит из двух типов устройств:

• оперативное ЗУ (ОЗУ или RAM-Random Accses Memory);

• постоянное ЗУ (ПЗУ или ROM - Read Only Memory).

При матричной организации памяти адрес ЭП определяется двумя координатами X и Y. На пересечении этих координат находится ЭП. Структурная схема ОЗУ приведена на рис. 1.7.

Связь с ОЗУ осуществляется по системной магистрали (СМ). По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить. ПО шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее. По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти (поскольку данные передаются машинными словами, а один элемент памяти может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из n матриц ЭП, где n-количество разрядов в машинном слове). Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить через m, то емкость памяти (т.е. количество элементов памяти, имеющих уникальных адреса) определяется как 2 ^m. При 32 разрядной адресной шине максимальный обьем ОП равен 2³² = 4 Гб.

В зависимости от способа хранения информации ОЗУ подразделяются на:

1. Стастические ОЗУ (SRAM - Static RAM).

2. Динамические (DRAM - Dynamic RAM).

В статических ОЗУ в качестве ЭП используется статический триггер, который способен сохранять состояние 0 или 1 неограниченно долго (при включенном ПК).

Динамические ОЗУ строятся на конденсаторах, реализованные внутри кристалла кремния. Динамические ЭП (конденсаторы) с течением времени саморазряжаются и записанная информация теряется. Динамические ЭП требуют периодического восстановления заряда - регенерации. Во время регенерации запись новой информации должна быть запрещена.

Основными характеристиками ОЗУ являются время доступа (быстродействие), емкость, пропускная способность.

Время доступа - это промежуток времени, за который может быть записано или прочитано содержимое ячейки памяти после подачи ее адреса и соответствующего управляющего сигнала.

Емкость определяет количество ячеек или битов в устройстве памяти.

По сравнению со статическими, динамические ОЗУ имеют более высокую удельную емкость и меньшую стоимость, большее энергопотребление и меньшее быстродействие. ОЗУ имеют модульную структуру. Увеличение емкости ОЗУ производится установкой дополнительных модулей. Время доступа к модулям DRAM составляет 60-70 нс.

На производительность ЭВМ влияет не только время доступа, но и такие параметры, как тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали. Если тактовая частота недостаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения. При тактовой частоте, превышающей возможности ОЗУ, в ожидании будет находиться системная магистраль, через которую поступил запрос в ОЗУ.

Интегральной характеристикой производительности ОЗУ с учетом частоты и разрядности шины данных является пропускная способность, которая измеряется в Мегабайтах в секунду. Для ОЗУ с временем доступа 60-70 нс и разрядностью шины данных 64 бита максимальная пропускная способность при тактовой частоте СМ 50 МГц составляет 400 Мбайт/с.

Микросхемы ПЗУ также построены по принципу матричной структуры. Функции ЭП в них выполняют перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов. В такой матрице наличие перемычки соответствует "1", а ее отсутствие -0. Запись информации в ПЗУ осуществляется посредством программатора.

Иерархия памяти

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 знать:

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).

Поиск по сайту: