Главная › Интернет › Модули систем основной памяти. Информатика и вычислительная техника

Модули систем основной памяти. Информатика и вычислительная техника

Организация подсистемы памяти в ПК

Запоминающие устройства (ЗУ) подсистемы памяти ПК можно выстроить в следующую иерархию (табл. 9.1):

Таблица 9.1. Иерархия подсистемы памяти ПК
№	Тип ЗУ	1985 г.	2000 г.
Время выборки	Типичный объем	Цена / байт	Время выборки	Типичный объем	Цена / байт
	Сверхоперативные ЗУ (регистры)	0,2 5 нс	16/32 бит	$ 3 - 100	0,01 1 нс	32/64/128 бит	$ 0,1 10
	Быстродействующее буферное ЗУ (кэш)	20 100 нс	8Кб - 64Кб	~ $ 10	0,5 - 2 нс	32Кб 1Мб	$ 0,1 - 0,5
	Оперативное (основное) ЗУ	~ 0,5 мс	1Мб - 256Мб	$ 0,02 1	2 нс 20 нс	128Мб - 4Гб	$ 0,01 0,1
	Внешние ЗУ (массовая память)	10 - 100 мс	1Мб - 1Гб	$ 0,002 - 0,04	5 - 20 мс	1Гб - 0,5Тб	$ 0,001 - 0,01

Регистры процессора составляют его контекст и хранят данные, используемые исполняющимися в конкретный момент командами процессора. Обращение к регистрам процессора происходит, как правило, по их мнемоническим обозначениям в командах процессора.

Кэш используется для согласования скорости работы ЦП и основной памяти. В вычислительных системах используют многоуровневый кэш: кэш I уровня (L1), кэш II уровня (L2) и т.д. В настольных системах обычно используется двухуровневый кэш, в серверных - трехуровневый. Кэш хранит команды или данные, которые с большой вероятностью в ближайшее время поступят процессору на обработку. Работа кэш-памяти прозрачна для программного обеспечения, поэтому кэш-память обычно программно недоступна.

Оперативная память хранит, как правило, функционально-законченные программные модули (ядро операционной системы, исполняющиеся программы и их библиотеки, драйверы используемых устройств и т.п.) и их данные, непосредственно участвующие в работе программ, а также используется для сохранения результатов вычислений или иной обработки данных перед пересылкой их во внешнее ЗУ, на устройство вывода данных или коммуникационные интерфейсы.

Каждой ячейке оперативной памяти присвоен уникальный адрес. Организационные методы распределения памяти предоставляют программистам возможность эффективного использования всей компьютерной системы. К таким методам относят сплошную ("плоскую") модель памяти и сегментированную модель памяти. При использовании сплошной модели (flat model) памяти программа оперирует единым непрерывным адресным пространством линейным адресным пространством, в котором ячейки памяти нумеруются последовательно и непрерывно от 0 до 2n-1, где n - разрядность ЦП по адресу. При использовании сегментированной модели (segmented model) для программы память представляется группой независимых адресных блоков, называемых сегментами. Для адресации байта памяти программа должна использовать логический адрес, состоящий из селектора сегмента и смещения. Селектор сегмента выбирает определенный сегмент, а смещение указывает на конкретную ячейку в адресном пространстве выбранного сегмента.

Организационные методы распределения памяти позволяют организовать вычислительную систему, в которой рабочее адресное пространство программы превышает размер фактически имеющейся в системе оперативной памяти, при этом недостаток оперативной памяти заполняется за счет внешней более медленной или более дешевой памяти (винчестер, флэш-память и т.п.) Такую концепцию называют виртуальной памятью. При этом линейное адресное пространство может быть отображено на пространство физических адресов либо непосредственно (линейный адрес есть физический адрес), либо при помощи механизма страничной трансляции. Во втором случае линейное адресное пространство делится на страницы одинакового размера, которые составляют виртуальную память. Страничная трансляция обеспечивает отображение требуемых страниц виртуальной памяти в физическое адресное пространство.

Кроме реализации системы виртуальной памяти внешние ЗУ используются для долговременного хранения программ и данных в виде файлов.

Кэш-память

Кэш-память представляет собой быстродействующее ЗУ, размещенное на одном кристалле с ЦП или внешнее по отношению к ЦП. Кэш служит высокоскоростным буфером между ЦП и относительно медленной основной памятью. Идея кэш-памяти основана на прогнозировании наиболее вероятных обращений ЦП к оперативной памяти. В основу такого подхода положен принцип временной и пространственной локальности программы.

Если ЦП обратился к какому-либо объекту оперативной памяти, с высокой долей вероятности ЦП вскоре снова обратится к этому объекту. Примером этой ситуации может быть код или данные в циклах. Эта концепция описывается принципом временной локальности, в соответствии с которым часто используемые объекты оперативной памяти должны быть "ближе" к ЦП (в кэше).

Для согласования содержимого кэш-памяти и оперативной памяти используют три метода записи:

Сквозная запись (write through) - одновременно с кэш-памятью обновляется оперативная память.
Буферизованная сквозная запись (buffered write through) - информация задерживается в кэш-буфере перед записью в оперативную память и переписывается в оперативную память в те циклы, когда ЦП к ней не обращается.
Обратная запись (write back) - используется бит изменения в поле тега, и строка переписывается в оперативную память только в том случае, если бит изменения равен 1.

Как правило, все методы записи, кроме сквозной, позволяют для увеличения производительности откладывать и группировать операции записи в оперативную память.

В структуре кэш-памяти выделяют два типа блоков данных:

память отображения данных (собственно сами данные, дублированные из оперативной памяти);
память тегов (признаки, указывающие на расположение кэшированных данных в оперативной памяти).

Пространство памяти отображения данных в кэше разбивается на строки - блоки фиксированной длины (например, 32, 64 или 128 байт). Каждая строка кэша может содержать непрерывный выровненный блок байт из оперативной памяти. Какой именно блок оперативной памяти отображен на данную строку кэша, определяется тегом строки и алгоритмом отображения. По алгоритмам отображения оперативной памяти в кэш выделяют три типа кэш-памяти:

полностью ассоциативный кэш;
кэш прямого отображения;
множественный ассоциативный кэш.

Для полностью ассоциативного кэша характерно, что кэш-контроллер может поместить любой блок оперативной памяти в любую строку кэш-памяти (рис. 9.1). В этом случае физический адрес разбивается на две части: смещение в блоке (строке кэша) и номер блока. При помещении блока в кэш номер блока сохраняется в теге соответствующей строки. Когда ЦП обращается к кэшу за необходимым блоком, кэш-промах будет обнаружен только после сравнения тегов всех строк с номером блока.

Одно из основных достоинств данного способа отображения - хорошая утилизация оперативной памяти, т.к. нет ограничений на то, какой блок может быть отображен на ту или иную строку кэш-памяти. К недостаткам следует отнести сложную аппаратную реализацию этого способа, требующую большого количества схемотехники (в основном компараторов), что приводит к увеличению времени доступа к такому кэшу и увеличению его стоимости.

Увеличить изображение
Рис. 9.1. Полностью ассоциативный кэш 8х8 для 10-битного адреса

Альтернативный способ отображения оперативной памяти в кэш - это кэш прямого отображения (или одновходовый ассоциативный кэш). В этом случае адрес памяти (номер блока) однозначно определяет строку кэша, в которую будет помещен данный блок. Физический адрес разбивается на три части: смещение в блоке (строке кэша), номер строки кэша и тег. Тот или иной блок будет всегда помещаться в строго определенную строку кэша, при необходимости заменяя собой хранящийся там другой блок. Когда ЦП обращается к кэшу за необходимым блоком, для определения удачного обращения или кэш-промаха достаточно проверить тег лишь одной строки.

Очевидными преимуществами данного алгоритма являются простота и дешевизна реализации. К недостаткам следует отнести низкую эффективность такого кэша из-за вероятных частых перезагрузок строк. Например, при обращении к каждой 64-й ячейке памяти в системе на рис. 9.2 кэш-контроллер будет вынужден постоянно перегружать одну и ту же строку кэш-памяти, совершенно не задействовав остальные.

Увеличить изображение
Рис. 9.2. Кэш прямого отображения 8х8 для 10-битного адреса

Несмотря на очевидные недостатки, данная технология нашла успешное применение, например, в МП Motorola MC68020, для организации кэша инструкций первого уровня (рис. 9.3). В данном микропроцессоре реализован кэш прямого отображения из 64 строк по 4 байт. Тег строки, кроме 24 бит, задающих адрес кэшированного блока, содержит бит значимости, определяющий действительность строки (если бит значимости 0, данная строка считается недействительной и не вызовет кэш-попадания). Обращения к данным не кэшируются.

Увеличить изображение
Рис. 9.3. Схема организации кэш-памяти в МП Motorola MC68020

Компромиссным вариантом между первыми двумя алгоритмами является множественный ассоциативный кэш или частично-ассоциативный кэш (рис. 9.4). При этом способе организации кэш-памяти строки объединяются в группы, в которые могут входить 2, 4, : строк. В соответствии с количеством строк в таких группах различают 2-входовый, 4-входовый и т.п. ассоциативный кэш. При обращении к памяти физический адрес разбивается на три части: смещение в блоке (строке кэша), номер группы (набора) и тег. Блок памяти, адрес которого соответствует определенной группе, может быть размещен в любой строке этой группы, и в теге строки размещается соответствующее значение. Очевидно, что в рамках выбранной группы соблюдается принцип ассоциативности. С другой стороны, тот или иной блок может попасть только в строго определенную группу, что перекликается с принципом организации кэша прямого отображения. Для того чтобы процессор смог идентифицировать кэш-промах, ему надо будет проверить теги лишь одной группы (2/4/8/: строк).

Увеличить изображение
Рис. 9.4. Двухвходовый ассоциативный кэш 8х8 для 10-битного адреса

Данный алгоритм отображения сочетает достоинства как полностью ассоциативного кэша (хорошая утилизация памяти, высокая скорость), так и кэша прямого доступа (простота и дешевизна), лишь незначительно уступая по этим характеристикам исходным алгоритмам. Именно поэтому множественный ассоциативный кэш наиболее широко распространен (табл. 9.2).

Таблица 9.2. Характеристики подсистемы кэш-памяти у ЦП IA-32
	Intel486	Pentium	Pentium MMX	P6	Pentium 4
L1 кэш команд
Тип	4-вх. ассоц.	2-вх. ассоц.	4-вх. ассоц.	4-вх. ассоц.	8-вх. ассоц.
Размер строки, байт					-
Общий объем, Кбайт	8/16			8/16	12Кmops
L1 кэш данных
Тип	Общий с кэш инструкций	2-вх. ассоц.	4-вх. ассоц.	2/4-вх. ассоц.	4-вх. ассоц.
Размер строки, байт
Общий объем, Кбайт			8/16
L2 кэш
Тип	Внешний	внешний 4-вх. ассоц.	4-вх. ассоц.	8-вх. ассоц.
Размер строки, байт
Общий объем, Кбайт	256/512	128-2048	256/512

Примечания: В Intel-486 используется единый кэш команд и данных первого уровня. В Pentium Pro L1 кэш данных - 8 Кбайт 2-входовый ассоциативный, в остальных моделях P6 - 16 Кбайт 4-входовый ассоциативный. В Pentium 4 вместо L1 кэша команд используется L1 кэш микроопераций (кэш трассы).

Для организации кэш-памяти можно использовать принстонскую архитектуру (смешанный кэш для команд и данных, например, в Intel-486). Это очевидное (и неизбежное для фон-неймановских систем с внешней по отношению к ЦП кэш-памятью) решение не всегда бывает самым эффективным. Разделение кэш-памяти на кэш команд и кэш данных (кэш гарвардской архитектуры) позволяет повысить эффективность работы кэша по следующим соображениям:

Многие современные процессоры имеют конвейерную архитектуру, при которой блоки конвейера работают параллельно. Таким образом, выборка команды и доступ к данным команды осуществляется на разных этапах конвейера, а использование раздельной кэш-памяти позволяет выполнять эти операции параллельно.
Кэш команд может быть реализован только для чтения, следовательно, не требует реализации никаких алгоритмов обратной записи, что делает этот кэш проще, дешевле и быстрее.

Именно поэтому все последние модели IA-32, начиная с Pentium, для организации кэш-памяти первого уровня используют гарвардскую архитектуру.

Критерием эффективной работы кэша можно считать уменьшение среднего времени доступа к памяти по сравнению с системой без кэш-памяти. В таком случае среднее время доступа можно оценить следующим образом:

T ср = (T hit x R hit) + (T miss x (1 R hit))

где T hit - время доступа к кэш-памяти в случае попадания (включает время на идентификацию промаха или попадания), T miss - время, необходимое на загрузку блока из основной памяти в строку кэша в случае кэш-промаха и последующую доставку запрошенных данных в процессор, R hit - частота попаданий.

Очевидно, что чем ближе значение R hit к 1, тем ближе значение T ср к T hit . Частота попаданий определяется в основном архитектурой кэш-памяти и ее объемом. Влияние наличия и отсутствия кэш-памяти и ее объема на рост производительности ЦП показано в табл. 9.3.

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем (16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), число микросхем, паспортная частота (100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 нс) и число контактов (72, 168 или 184).

Модули DIP. Микросхемы DRAM упаковываются в так называемый DIP-корпус, при этом DIP обозначает Dual In-line Package (корпус с двухрядным расположением выводов). Этот термин относится к корпусам памяти, у которых выводы (Pins) расположены по бокам (напоминают жука) - рис. 3.48, а. Сам кристалл, на котором размещены ячейки памяти, существенно меньше, чем корпус. Данная конструкция корпуса обусловлена такими требованиями, как удобство печатного монтажа и установки микросхемы в панельки на системной плате, а также соблюдение температурного режима работы элементов.

Большинство модулей DIP имеют интервалы между выводами в ряду 2,54 мм (0,1"), а расстояние между рядами - 7,62 мм (0,3" - «Skinny DIP», «Тощий DIP») или 15,24 мм (0,6"). Типичное число контактов равно 8 или любому другому четному числу от 14 до 24 (реже -28) для корпусов на 0,3" и 24, 28, 32 или 40 (реже 36, 48 или 52) для корпусов на 0,6". На территории бывшего СССР используются аналогичные корпуса, но с размерами, выдержанными в метрической системе мер (например, интервал выводов 2,5 мм вместо 2,54 мм/0, Г).

Известны различные варианты корпусов DIP, в основном различающиеся материалом изготовления:

керамические (Ceramic Dual In-line Package - CERDIP);
пластмассовые (Plastic Dual In-line Package - PDIP);
пластмассовые уплотненные (Shrink Plastic Dual In-line Package - SPDIP) - уплотненная версия PDIP с интервалом выводов 1,778 мм (0,07").

Важнейшими параметрами микросхем DRAM являются емкость и организация памяти. Элементы DRAM в виде отдельных микросхем обычно устанавливались на старых материнских платах. В настоящее время эти микросхемы используются в качестве составных элементов модулей памяти, таких как SIP-, ZIP-и SIMM-модули.

Информация о микросхеме в ее обозначении состоит, как правило, из нескольких полей. Первое поле содержит информацию о производителе и типе отбраковки при изготовлении микросхемы, следующее характеризует емкость, а дальнейшее - материал, из которого изготовлен корпус, и время доступа.

Например, для микросхем фирмы Mostek первые две буквы МК являются обозначением фирмы, МКВ означает, что данная микросхема фирмы Mostek отбракована согласно военному стандарту (MIL STD-833), a MKI - что микросхема прошла отбраковку в соответствии с промышленным диапазоном температур. Цифра 4 говорит о том, что микросхема является элементом DRAM. Следующая за ней цифра обозначает количество инфор-

Рис. 3.48. Внешний вид модулей памяти: а - корпус DIP-14; б - модуль SIP; в - модуль ZIP; г - разъем ZIP; д - SIMM на 72 контакта; е -DDR2 (1 Гбайт, 533 МГц) с радиатором (184 контакта и один ключ); ж - DDR SO-DIMM (РС2700, 200 контактов); з - RDRAM-модуль со

встроенным радиатором

мационных разрядов: 1 - один разряд, 4 - четыре разряда. Группа цифр, следующая далее, обозначает количество информационных разрядов в килобитах (64 - 64 Кбит, 256 - 256 Кбит, 1000 - 1 Мбит). Далее буквой указывается тип корпуса (например, Р - пластмассовый, хотя тип может быть и не указан). Через дефис указывается время доступа в наносекундах. Таким образом, по обозначению МКВ44256-70 можно легко определить, что это микросхема фирмы Mostek, прошедшая отбраковку согласно военному стандарту, имеет емкость 4-го разряда по 256 Кбит каждый и время доступа 70 нс.

SIP-модули. Микросхемы DRAM довольно легко и просто устанавливать в ПК, однако они занимают много места. С целью уменьшения размеров компонентов ПК, в том числе и элементов оперативной памяти, был разработан ряд конструктивных решений, приведших к тому, что каждый элемент памяти больше не устанавливался в отдельную панель, а совместимые элементы DRAM объединены в один модуль, выполненный на небольшой печатной плате.

Технология, реализующая такую конструкцию элементов памяти, называется SMT (Surface Mounting Technology), дословно переводимая как «технология поверхностного монтажа». Благодаря ей совместимые элементы DRAM были установлены на одной плате, что, в первую очередь, означало экономию места.

В качестве реализации технологии SMT можно назвать так называемые SIP-модули с однорядным расположением выводов (Single In-line Package - SIP). SIP-модули представляют собой небольшую плату с установленными на ней совместимыми чипами DRAM (см. рис. 3.48). Такая плата имеет 30 выводов, размеры ее в длину около 8 см и в высоту около 1,7 см.

SIP-модули устанавливаются в соответствующие разъемы на системной плате. Однако при установке и извлечении таких модулей тонкие штырьки выводов часто обламываются, и контакт между штырьком и разъемом ненадежен. Это привело к дальнейшему развитию модулей памяти и появлению SIMM-модулей.

ZIP (Zig-zag In-line Package) - недолго просуществовавшая технология интегральных схем, в частности, чипов DRAM. Она была разработана для замены DIP. Интегральная схема ZIP заключается в пластиковый корпус, обычно размером 3 х 30 х 10 мм. Выводы устройства расположены в 2 ряда на одной из сторон корпуса. Эти ряды находятся на расстоянии 1,27 мм (0,05") друг от друга в шахматном порядке, что дает возможность их более компактного размещения, чем обычная прямоугольная решетка (рис. 3.48, в, г). Корпуса схем при этом могут располагаться на плате более плотно, нежели чем при схемотехнике DIP, при том же размере. ZIP были в дальнейшем вытеснены такими конфигурациями, как TSOP (thin small-outline packages), используемых в SIMM (single-in-line memory modules) и DIMM (dual-in-line memory modules).

SIMM-модули. Когда речь идет о SIMM-модуле, имеют в виду плату, которая по своим размерам примерно соответствует SIP-модулю. Различие, прежде всего, состоит в конструкции контактов. В отличие от SIP-модуля выводы для SIMM-модуля заменены так называемыми контактами типа PAD (вилка). Эти контакты выполнены печатным способом и находятся на одном краю платы. Именно этим краем SIMM-модули устанавливаются в специальные слоты на системной плате (рис. 3.48, d). Благодаря такой конструкции SIMM-модулей существенно повышается надежность электрического контакта в разъеме и механическая прочность модуля в целом, тем более что все контакты изготовлены из высококачественного материала и позолочены.

Отказы в работе оперативной памяти чаще всего происходят не из-за повреждения SIMM-модулей, а, скорее, из-за некачественной обработки контактов разъемов на системной плате.

Кроме того, удобная конструкция SIMM-модулей позволяет пользователям самостоятельно менять и добавлять элементы памяти, не опасаясь повредить выводы.

SIMM-модули являются стандартом в современных вычислительных системах. SIMM-модули, оснащенные DRAM 41256, сегодня применяются относительно редко. Чаще SIMM-модули оборудованы микросхемами памяти общей емкостью 8, 16 и 32 Мбит. В дальнейшем на рынке появились SIMM-модули, имеющие емкость 120 Мбит и более.

В PC с CPU 80386 и ранних моделях с CPU 80486 использовались 30-контактные SIMM-модули памяти (DRAM), и число слотов на системной плате колебалось от 4 до 8. В настоящее время найти в продаже подобные модули весьма не просто. В более поздних моделях PC с CPU 80486 и Pentium стали использоваться 72-контактные SIMM-модули памяти (FPM DRAM).

DIMM-модули. В дальнейшем на многих системных платах появились слоты для 168-контактных модулей памяти DIMM (Dual In-line Memory Module). Модули DIMM обладают внутренней архитектурой, схожей с 72-контактными SIMM-модулями, но благодаря более широкой шине обеспечивают повышенную производительность подсистемы «CPU-RAM».

Для правильного позиционирования DIMM-модулей при установке в слоты на системной плате в их конструкции предусмотрены два ключа:

первый ключ расположен между контактами 10 и 11 и служит для определения типа памяти модуля (FPM DRAM или SDRAM);
второй ключ расположен между контактами 40 и 41 и служит для определения напряжения питания модуля (5 или 3,3 В).

DIMM-модули поддерживают, например, материнские платы на Chipset 82430VX, 82440FX, 83450KX/GX, 82430ТХ.

SO-DIMM (Small Outline Dual In-Line Memory Module) представляет собой тип интегральных схем оперативной памяти компьютера (рис. 3.48, ж).

SO-DIMM является малогабаритной альтернативой для DIMM и обычно занимают около половины пространства, требуемого для обычных модулей DIMM. В результате SO-DIMM в основном используются в таких устройствах, как ноутбуки, небольшие настольные ПК (с платами типа Mini-ITX), высококачественные принтеры и сетевое оборудование (например, маршрутизаторы).

Модули SO-DIMM могут иметь 72, 100, 144 или 200 контактов, поддерживая передачу данных, соответственно, по 32 бита (100) и 64 бита (144 и 200). Обычные DIMM имеют по 168, 184 или 240 и все поддерживают 64-битовую передачу данных.

Различные типы SO-DIMM распознаются по размещению «ключей» - модули на 100 контактов имеют два ключа, 144-контактный SO-DIMM имеет один ключ близко к центру корпуса, 200-контактный SO-DIMM - один ключ ближе к краю корпуса.

SO-DIMM примерно соответствуют (или меньше чем) по мощности DIMM, и обе технологии SO-DIMM и DIMM обеспечивают примерно равные скорости (тактовая частота, например, 400 МГц для РС3200 и латентность CAS величиной 2,0, 2,5 и 3,0) и емкость (512 Мбайт, 1 Гбайт и пр.). Более современные модули DDR2 SO-DIMM имеют частоту до 800 МГц РС6400 и предполагается, что достигнут частоты 1066 МГц РС8500.

RIMM. С появлением Direct RDRAM (DRDRAM) в 1999 г. появляется модуль RIMM (рис. 3.49) (название - не акроним, а торговая марка Rambus Inc). Разъемы RIMM имеют типоразмеры, подобные DIMM, и могут устанавливаться в пределах той же

Рис. 3.49.

самой области системной платы, как и DIMM. Они имеют 184 штырька по сравнению с 168 для DIMM, но используют ту же спецификацию гнезда, как и стандарт DIMM на 100 МГц. BIOS ПК способен определить, какая оперативная память установлена, так что SDRAM-модули на 100 МГц должны работать в RIMM-совместимой системе. Существуют также компактные модели памяти SO-RIMM, аналогичные SO-DIMM.

Главные элементы к подсистеме памяти Rambus включают основное устройство, которое содержит Rambus ASIC Cell (RAC) и контроллер памяти (Rambus Memory Controller RMC), тактовый генератор (Direct Rambus Clock Generator DRCG), разъемы RIMM, модули памяти RIММ и модули непрерывности RIMM, а также подсистему «последовательное устройство обнаружения присутствия» (Serial Presence Detect SPD ROM).

В конечном итоге, технологии DDR, развиваясь и становясь все дешевле, практически вытеснили RDRAM - в интервале 2002-2005 гг. рыночная доля RDRAM не превышала 5 %.

FB-DIMM (Fully Buffered DIMM, полностью буферизованный DIMM) - технология, предназначенная для повышения надежности, быстродействия и емкости систем ОП. В обычных конструкциях ОП линии данных, идущие от контроллера памяти, соединяются со всеми DIMM-модулями. При возрастании электрической нагрузки (увеличение числа модулей или же разрядности памяти), а также с повышением частоты доступа проходящие сигналы начинают искажаться, что ограничивает эффективность системы в целом.

Архитектура Fully Buffered DIMM предусматривает промежуточный буфер (Advanced Memory Buffer - AM В), устанавливаемый между контроллером и модулем памяти (рис. 3.50). В отличие от параллельной шинной архитектуры для традиционных

Разъем DDR2 с уникальным ключом

До 8 модулей DIMM

«Южный путь» (10 бит)

Контроллер

Рис. 3.50. Архитектура памяти FB-DIMM

DRAM, FB-DIMM имеет последовательный интерфейс между контроллером и AM В. Это позволяет повысить разрядность памяти без увеличения количества линий контроллера памяти.

Контроллер не передает сигнал непосредственно на модуль памяти, а действует через буфер, который восстанавливает форму сигнала и передает его дальше. Кроме того, AM В может осуществлять коррекцию ошибок, разгружая от этой функции процессор и контроллер памяти. Это сопровождается, однако, повышением латентности ОП.

Существует стандарт (протокол JESD82-20), определяющий интерфейс АМВ с памятью DDR2. Канал FB-DIMM состоит из 14 битовых линий «Северного пути» («northbound»), по которым данные передаются из памяти на процессор, и 10 линий «Южного пути» («southbound»), передающих команды и данные из процессора.

Каждый бит передается на частоте, в 12 раз большей, чем базовая частота памяти (в 6 раз, если используется удвоенная скорость, DDR - DDR3). Например, для чипа DDR2-667 DRAM канал будет работать на частоте 667 х 12/2 =4000 МГц. Каждые 12 циклов образуют кадр: 168 бит «Северного пути» (144 бита данных, передаваемых 72-битовой DDR SDRAM плюс 24 бита для CRC-коррекции) и 120 бит «Южного» (98 полезных бит и 22 CRC-бита). Из 98 бит здесь 2 задают тип кадра, 24 - команда; в оставшихся битах могут содержаться (в зависимости от типа кадра) либо 72 бита записываемых данных, либо две или более 24-битовых команд, либо одна команда или более плюс 36 бит записываемых данных.

Поскольку записываемые данные подаются медленнее, чем это необходимо для ОП DDR, они накапливаются в AM В, а затем записываются в одном пакете (обычно по четыре кадра данных).

Команды соответствуют стандартным циклам доступа DRAM, например, выбор строки (/RAS), предвыборка, регенерация и пр. Команды чтения и записи содержат только адреса столбцов (/CAS) массива памяти. Все команды содержат 3-разрядные адреса FB-DIMM, что позволяет подключать до 8 модулей FB-DIMM на 1 канал.

Организация памяти МПС. Сегментация памяти. Вычисление адреса. Внутренняя КЭШ память .

Память микропроцессорной системы выполняет функцию временного или постоянного хранения данных и команд. Объем памяти определяет допустимую сложность выполняемых системой алгоритмов, а также в некоторой степени и скорость работы системы в целом. Модули памяти выполняются на микросхемах памяти (оперативной или постоянной). Все чаще в составе микропроцессорных систем используется флэш-память (англ. – flash memory), которая представляет собой энергонезависимую память с возможностью многократной перезаписи содержимого.

Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рисунок7.4.1).

Рисунок 7.4.1. Схема подключения модуля памяти.

В пространстве памяти микропроцессорной системы обычно выделяются несколько особых областей, которые выполняют специальные функции. К ним относятся:

– память программы начального запуска, выполненная на ПЗУ или флэш-памяти;

– память для стека или стек (Stack) – это часть оперативной памяти, предназначенная для временного хранения данных;

– таблица векторов прерываний, содержащая адреса начала программ обработки прерываний;

– память устройств, подключенных к системной шине.

Все остальные части пространства памяти, как правило, имеют универсальное назначение. В них могут располагаться как данные, так и программы (конечно, в случае одношинной архитектуры).

Часто пространство памяти делится на сегменты с программно изменяемым адресом начала сегмента и с установленным размером сегмента. Например, в процессоре Intel 8086 сегментирование памяти организовано следующим образом.

Вся память системы представляется не в виде непрерывного пространства, а в виде нескольких кусков – сегментов заданного размера (по 64 Кбайта), положение которых в пространстве памяти можно изменять программным путем.

Для хранения кодов адресов памяти используются не отдельные регистры, а пары регистров:

Сегментный регистр определяет адрес начала сегмента (то есть положение сегмента в памяти);

Регистр указателя (регистр смещения) определяет положение рабочего адреса внутри сегмента.

При этом физический 20-разрядный адрес памяти, выставляемый на внешнюю шину адреса, образуется так, как показано на рисунке7.4.2, то есть путем сложения смещения и адреса сегмента со сдвигом на 4 бита.

Рисунок 7.4.2. Формирование физического адреса памяти из адреса сегмента и смещения.

Положение этого адреса в памяти показано на рисунке7.4.3.

Рисунок 7.4.3. Положение физического адреса в памяти

Сегмент может начинаться только на 16-байтной границе памяти (так как адрес начала сегмента, по сути, имеет четыре младших нулевых разряда, как видно из рисунка 7.4.2), то есть с адреса, кратного 16. Эти допустимые границы сегментов называются границами параграфов.

Отметим, что введение сегментирования, прежде всего, связано с тем, что внутренние регистры процессора 16-разрядные, а физический адрес памяти 20-разрядный (16-разрядный адрес позволяет использовать память только в 64 Кбайт, что явно недостаточно).

Кэш–память располагается между основной памятью (ОП) и центральным процессором для снижения затрат времени на обращение ЦП к ОП.

Идея кэш-памяти основана на прогнозировании наиболее вероятных обращений ЦП к ОП. Наиболее «вероятные» данные и команды копируются в быструю, работающую в темпе ЦП, кэш-память до начала их непосредственного использования ЦП, так что обращение к данным и командам, используемым в текущий момент времени, может происходить быстро, без обращения к ОП. В основу такого подхода положен принцип локальности программы или, как еще говорят, гнездовой характер обращений, имея в виду, что адреса последовательных обращений к ОП образуют, как правило, компактную группу. При обращении к ОП в кэш-память копируются не отдельные данные, а блоки информации, включающие те данные, которые с большой степенью вероятности будут использованы в ЦП на последующих шагах работы. В связи с этим последующие команды выбираются ЦП уже не из ОП, а из быстрой кэш-памяти. Когда ЦП нужно считать или записать некоторое данное в ОП, он сначала проверяет его наличие в кэш-памяти. Эффективность кэш-системы зависит от размера блока и алгоритма программ.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ

Назначение, основные параметры и

Классификация видов памяти

Устройства памяти (запоминающие устройства) ВМ предназначены для записи, хранения и считывания информации, представленной в цифровой форме /2,3/. Устройства памяти, как и процессоры, оперируют с двумя видами информации – программами и данными, поэтому характеристики памяти во многом определяют производительность и функциональные возможности ВМ.

Устройства памяти работают в двух режимах – обращения к памяти и хранения . В режиме обращения в память осуществляется запись информации или производится чтение информации из памяти. Если к памяти не обращаются, она переходит режим хранения.

Основными параметрами, характеризующими устройства памяти, являются информационная емкость (объем), быстродействие, энергопотребление и стоимость /2,5,8/.

Информационная емкость (объем) устройства памяти определяется максимальным количеством хранимой информации и измеряется в байтах, Кбайтах, Мбайтах, Гбайтах и Тбайтах.

1 Кбайт = 2 10 байт; 1Мбайт = 2 20 байт; 1Гбайт = 2 30 байт и 1Тбайт = 2 40 байт.

Быстродействие памяти характеризуется следующими основными параметрами:

временем выборки (доступа) t В, определяемым временным интервалом между моментами подачи сигнала выборки (начала цикла чтения) и получением считанных данных на выходе памяти;

длительностью цикла обращения t Ц , который определяется минимально допустимым временным интервалом между следующими друг за другом обращениями к памяти. Учитывая, что под обращением к памяти понимается запись или чтение, иногда разделяют длительность цикла чтения t Ц.ЧТ . и длительность цикла записи t Ц.ЗП. для видов памяти, у которых эти длительности циклов различны, т.е. t Ц.ЧТ. ≠ t Ц.ЗП .

В общем случае цикл обращения состоит из фазы выборки (доступа) и фазы регенерации (восстановления) памяти, поэтому t Ц > t В.

Быстродействие памяти можно также характеризовать скоростью передачи записываемых или считываемых данных и измерять в Мбайтах/сек.

Энергопотребление для многих видов памяти в режиме обращения существенно выше, чем в режиме хранения. Энергонезависимая память в режиме хранения вообще не потребляет электроэнергию. Но ряд видов памяти, например, электронная динамическая, в режиме хранения требуют циклов регенерации, поэтому энергопотребление в этом режиме сопоставимо с энергопотреблением в режиме обращения.

Для сравнения разных видов памяти удобно использовать приведенные к одной ячейке (т.е. удельные) энергопотребление и стоимость устройств памяти.

Важным параметром памяти является также разрядность шины данных памяти, определяющая количество байт, с которыми операция чтения или записи может выполняться одновременно.

Устройства памяти ВМ можно классифицировать по различным признакам: по физическому принципу работы, по функциональному назначению, по способу организации, необходимости электропитания в режиме хранения и т.д.

По физическому принципу работы память классифицируется на электронную, магнитную, оптическую, магнитно – оптическую.

Электронная память выполняется на полупроводниковых элементах и реализуется в виде БИС. Электронная память разделяется на статическую и динамическую.

В БИС статической памяти в качестве элементарных ячеек памяти применяются статические триггеры на биполярных или полевых транзисторах. Как известно, число устойчивых состояний триггера равно двум, что позволяет использовать его для хранения единицы информации – бита. Ячейки памяти для хранения байт и слов используют соответственно 8 и 16 триггеров.

В БИС динамической памяти в качестве элементарных ячеек памяти применяются электрические конденсаторы. Наличие заряда соответствует хранению логической «1», отсутствие заряда – хранению логического «0». В качестве запоминающих конденсаторов используются либо межэлектродные емкости МОП транзисторов, либо специально созданные в кристалле БИС МОП конденсаторы. Фрагмент структурной схемы динамической памяти, содержащий две ячейки 1 и 2, изображен на рис.6.1.

Каждая элементарная ячейка памяти содержит запоминающий МОП конденсатор С (десятые доли пФ) и транзисторный ключ Т, подключающий этот конденсатор к шине данных. Затвор транзисторного МОП – ключа соединен с соответствующим выходом дешифратора адреса. При выборе ячейки ключ Т открывается и подключает конденсатор С к шине данных. Далее, в зависимости от вида команды: запись (WR) или чтение (RD) - через соответствующий усилитель производится запись входных данных (DI) или чтение выходных данных (DO).

Динамическая память по сравнению со статической существенно проще, дешевле и обеспечивает очень высокую степень интеграции, т.е. более высокую удельную емкость. Но по сравнению со статической динамическая память обладает меньшим быстродействием и требует периодической регенерации (восстановления) информации в элементарных ячейках. Другими словами, необходимо периодически восстанавливать заряд на запоминающих конденсаторах С, которые с течением времени саморазряжаются, т.е. «теряют» информацию. Для этого через каждые несколько миллисекунд (mсек) производятчтение информации из ячеек памяти и затем повторную запись информации, что позволяет восстанавливать заряд на запоминающих конденсаторах C. Необходимость организации периодических циклов регенерации (Refresh Cycles) несколько усложняет управление динамической памятью.

Для типовых модулей электронной памяти время выборки t В составляет единицы – десятки наносекунд (nсек ), а информационная емкость – десятки – сотни Мбайт.

Статическая и динамическая электронная память является энергозависимой , т.е. при отключении электропитания информация в ячейках не сохраняется. Существует также энергонезависимая электронная память – постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), информация из которых в процессе работы ВМ может только считываться. Ячейки памяти ПЗУ будут рассмотрены ниже.

Магнитная память основана на наличии у ряда магнитных материалов (например, окиси железа) двух устойчивых состояний остаточного намагничивания противоположного знака. Такие магнитные материалы характеризуются прямоугольной петлей гистерезиса B = f(H) , и из них выполняется рабочий магнитный слой, наносимый на поверхность различных подвижных носителей – магнитных дисков. Для записи и чтения информации используются магнитные головки, представляющие собой миниатюрные катушки индуктивности, намотанные на магнитном сердечнике с зазором. При записи магнитная головка намагничивает участок магнитного слоя, проходящий под рабочим зазором, в направлении, определяемом направлением протекающего тока. При считывании намагниченные участки поверхности проходят около индуктивной головки считывания и наводят в ней импульсы э.д.с. Устройства памяти, использующие этот принцип, имеют очень низкую удельную стоимость хранения информации, являются энергонезависимыми, но, являясь электромеханическими, по быстродействию, надежности и энергопотреблению существенно уступают электронной памяти. Для НЖМД скорость передачи данных достигает десятков Мбайт/сек, а информационная емкость – сотен Гбайт.

В оптической памяти для хранения информации используется изменение оптических свойств (в основном, степени отражения) поверхности носителя. Оптический носитель выполняется в виде диска (Compact Disk - CD), отражающий слой (металлическое напыление) которого покрыт слоем органического красителя. При записи луч лазера модулируется потоком записываемых бит и в определенных местах дорожки выжигает ямки в слое красителя. За счет разницы коэффициента отражения ямок и невыжженных участков поверхности при считывании возникает модуляция яркости отраженного луча, которая кодирует считываемую с CD информацию. Производятся различные типы оптических CD дисков: CD-ROM (Read Only Memory) – позволяющие только считывать записанную матричным способом информацию, CD-R (Recordable) – допускающие хотя бы однократную запись на диск и многократное считывание, CD-RW (ReWritable) – позволяющие многократную перезапись на диск (и конечно же, считывание). Оптические диски дешевы и имеют значительную (до одного Гбайта) информационную емкость, являются энергонезависимыми и легко сменяемыми, но по быстродействию, надежности и энергопотреблению, как и магнитные диски, существенно уступают электронной памяти.

По функциональному назначению устройства памяти можно классифицировать на сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ), оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

ОЗУ предназначено для хранения программ (системных, прикладных) и данных, непосредственно используемых ЦП в текущее время. Длительности циклов чтения и записи для оперативной памяти, как правило, одинаковы. Обычно в качестве ОЗУ применяется динамическая память объемом до единиц Гбайт в зависимости от назначения и области применения МС.

СОЗУ или кэш-память (Cache Memory) – это небольшого объема быстродействующая память, у которой длительность цикла обращения t Ц. меньше длительности машинного цикла процессора. Поэтому при обращении к кэш-памяти не требуется вводить такты ожидания процессора в машинные циклы обращения к памяти. Кэш-память является буферной памятью между ОЗУ и ЦП и выполняется на базе статической памяти. Кэш хранит копии блоков (страниц) программ и данных тех областей ОЗУ, к которым происходили последние обращения, а также каталог – список их текущего соответствия областям ОЗУ. При каждом обращении к оперативной памяти контроллер кэш-памяти по каталогу проверяет, есть ли действительная копия затребованного блока (страницы) в кэш. Если копия там есть, то это случай кэш-попадания , и обращение за данными или кодом происходит только к кэш-памяти. Если действительной копии там нет, то это случай кэш-промаха , и в кэш записывается требуемый блок (страница) из ОЗУ, причем запись производится на место предварительно удаленного из кэш в ОЗУ наименее актуального блока (страницы), т.е. блока информации, число обращений к которому было наименьшим. За счет присущих программам и данным таких фундаментальных свойств, как пространственная и временная локальности /2,7,13/ число кэш-попаданий во много раз превышает число кэш-промахов даже при небольших (единицы – десятки Кбайт) объемах кэш памяти. Поэтому использование кэш-памяти значительно повышает производительность ВМ. Обычно кэш реализуется по трехуровневой схеме: первичный кэш (L1 Cache), объемом десятки Кбайт, и вторичный кэш (L2 Cache), объемом сотни Кбайт, размещается в кристалле МП, кэш третьего уровня (L3 Cache), единицы Мбайт устанавливают на системной плате или в корпусе МП.

ПЗУ – это электронная энергонезависимая память, которая применяется для хранения неизменяемой или редко изменяемой в течении времени эксплуатации ВМ информации: системного ПО (BIOS), прикладного ПО для встраиваемых и бортовых ВМ, наборов таблиц, параметров конфигурации различных систем и т.п. Основным режимом работы ПЗУ является чтение, что и обуславливает другое общее название такой памяти ROM (Read Only Memory). Запись информации в ПЗУ, называемая программированием, обычно существенно сложнее, требует больших затрат времени и энергии, чем чтение.

ВЗУ предназначены для энергонезависимого хранения больших объемов определенным образом структурированной информации: файлов, баз данных, архивов. Характерной особенностью внешней памяти является то, что ее устройства оперируют блоками информации, а не байтами или словами, как это позволяет оперативная память. Кроме того, процессор может осуществлять доступ к ВЗУ только через оперативную память. В качестве ВЗУ обычно используется дисковые (НЖМД, CD) накопители, позволяющие хранить сотни Гбайт информации.

Буферная электронная память включается в состав контроллеров различных внешних устройств, решающих задачи отображения и ввода информации, задачи коммуникации, преобразования сигналов и т.п. Наличие буферной памяти позволяет согласовать существенно различные скорости передачи информации системной шины и внешних устройств, сократить время использования каждым из внешних устройств системной шины и увеличить производительность ВМ.

Способ организации памяти определяется методом размещения и поиска информации в ЗУ. По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую организацию памяти.

В адресной памяти для обращения к ячейкам памяти используются их адреса , под которыми понимаются коды номеров ячеек памяти. Адресная организация памяти позволяет обращаться к ячейкам памяти по их адресам в произвольном порядке, причем длительность цикла обращения является одинаковой для всех ячеек независимо от адреса. Поэтому для названия такой память также используется термин «запоминающие устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ)» или RAM (Random Access Memory). Адресную организацию памяти имеют, например, ОЗУ и ПЗУ.

В ассоциативной памяти (АЗУ) поиск информации производится не по адресам ячеек памяти, а по их содержимому или его части. В общем случае запрос к ассоциативной памяти осуществляется заданием перечня разрядов, по которым следует производить поиск ячейки памяти, и заданием содержания выделенных разрядов. Перечень разрядов для поиска задается в регистре-маске. Этот регистр имеет такую же разрядность, как и ячейка памяти АЗУ, и содержит единицы только в тех разрядах, по которым ведется поиск. В регистре-контексте задается содержание этих разрядов, и его разрядность равна разрядности регистра-маски.

Если ячейка с заданной комбинацией нулей и единиц находится, АЗУ формирует положительный ответ с указанием адреса найденной ячейки. Далее адрес передается в дешифратор адреса, и все содержимое такой ячейки можно считать или записать в нее новое содержимое. В противном случае АЗУ формирует отрицательный ответ на запрос.

Поиск информации по контексту в АЗУ осуществляется одновременно по всем ячейкам памяти, поэтому АЗУ во много раз быстрее ЗУПВ, но и стоят значительно дороже. В современных вычислительных системах АЗУ применяются, например, в составе кэш-памяти.

Стековая память (Stack), так же как и ассоциативная является безадресной. Стек можно рассматривать как совокупность ячеек, образующих одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. В этой памяти запись и чтение производятся по правилу «последнее записанное считывается первым» или «Last Input First Output (LIFO)». Поэтому стек называют «магазинной» памятью с обратным порядком считывания. Обычно стек организуют в оперативной памяти. Количество слов в стеке определяется регистром-указателем стека SP, а запись в стек и чтение из него производится соответственно командами PUSH и POP. Широкое применение стековая память находит, как уже было рассмотрено выше, при обработке прерываний и вызове подпрограмм.

Наряду со стековой памятью большое распространение получила «магазинная» память с прямым порядком считывания, т.е. «первое записанное считывается первым» или «First Input First Output (FIFO)». Эта память называется буферной и, как и стек, организуется в ОЗУ.