Организация памяти ЭВМ

Глава 1. Общие принципы организации памяти ЭВМ

Системы памяти современных ЭВМ представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для хранения используемой в ЭВМ информации. К этой информации относятся обрабатываемые данные, прикладные программы, системное программное обеспечение и служебная информация различного назначения. К системе памяти можно отнести и программные средства, организующие управление ее работой в целом, а также драйверы различных видов запоминающих устройств.

Память представляет собой одну из важнейших подсистем ЭВМ, во многом определяющую их производительность. Тем не менее в течение всей истории развития вычислительных машин она традиционно считается их "узким местом".

Ключевым принципом построения памяти ЭВМ является ее иерархическая организация (принцип, сформулированный еще Джоном фон Нейманом), которая предполагает использование в системе памяти компьютера запоминающих устройств (ЗУ) с различными характеристиками. Причем с развитием технологий, появлением новых видов ЗУ и совершенствованием структурной организации ЭВМ количество уровней в иерархии памяти ЭВМ не только не уменьшается, но даже увеличивается. Например, сверхоперативные ЗУ больших ЭВМ 50-60-х годов заменяет двухуровневая кэш-память персональных ЭВМ 90-х годов.

В данной главе проводится классификация ЗУ с точки зрения особенностей их организации и использования. Затем рассматриваются типовые структуры систем памяти ЭВМ, а также основные параметры и критерии оценки запоминающих устройств и систем.

Центральным элементом яв-ся память, где хранится наша микропрога. Для обычной памяти входной инфой яв-ся адрес, выходным-Д с этого адреса. КОП-код операции, q_i-состояние упр автомата (адр след МК)(КОП-const, x_i-const) ОУ- операционное устройство или многофункциональное АЛУ.

Код команды процессора записыв-ся в Рг.МК , этот код задает в Рг.Адр.МК область памяти ЗУ в ктр прошита МК данной ком, Соотв-но для каждого вида операций(другого кода ком-ды) в памяти МПрог выделяется своя область т.к. при выполн. МПрог в зависимости от признаков сост ОУ x_i формир разл последов упр возд y_i,то они так же оказыв влияние на адрес формиров-я след-го y_i т.к. при неизменном коде опер и условиях x_i возникает необход в формиров последов-ти y_i , то в ЗУ прописыв-ся адрес следующ y_i (адрес q_i)которое формируется на следующ шаге (программный счетчик). Если в качестве ЗУ использ ПЗУ то процессор имеет жестко заданную сист команд (все микропроц-ры широкого прим так и работают) но в общем случае в место ПЗУ можно использ ОЗУ тогда проц-р можно перенастраивать под различные сист-мы команд (напр сделать совместными проги под Intel и Motorola (Mac)).

Достоинства с Микропрограммным управлением: 1)Каждая ком имеет свою область памяти микропрограмм(измен одной ком не приводит к необх переделки остальн ком) 2)Для выполн каждой ком-ды выделяется столько времени сколько необх-мо (длительности выполн всех команд различны и минимальны)

Виртуальная память.

Вирт память создает у польз-ля иллюзию будто бы при небольш (ограниченных) объемах физ ОЗУ, пользов-ль имеет очень большие объемы ОЗУ. Это достигается за счет использ внешних носителей инф.(напр винт,стримеры, магнитные ленты, CD-ROM,Zip,Flash)

Пусть пользователь имеет 256Кбайт – физ ОЗУ

ША – 32-разр, адресное пространство 2³²=4 Гб

При орг Вирт памяти физ ОЗУ разбивается на страницы (размер произв опр-ся разработчиком). Пусть 1стр-16кбайт=2¹⁴ Все адр пространство разбивается на страницы. N_стр=2³²/2¹⁴=2¹⁸=256кбайт страниц. В физ ОЗУ может нах-ся 16 стр.

М-абс номер стр18 разр L-номер ячейки на стр Р-поля признаков

Контроллер виртуальной памяти содержит: ассоциативное ЗУ- это ОЗУ в котором входной инф явл-ся данные, а выходом явл адрес ячейки где эти данные нах-ся. Контроллер Вирт памяти имеет столько ячеек АЗУ сколько физ страниц может располагаться в ОЗУ (в данном примере 16 ячеек). Процессор выставляет 32-р адр на ША, АЗУ сравнивает абсолютный номер страницы М с номерами страниц М* загруженными в физ ОЗУ,если М=М*, то данная страница нах-ся в физ ОЗУ и № этой стр в физ ОЗУ задается полем К(4р), поле К возбуждает эту стр в физ ОЗУ, младш часть адреса L возбуждает ячейку памяти на выбранной странице, формируется сигнал Q который открывает буфер(Эл-т с 3 сост) и подключает физ ОЗУ с Системной Магистрали. Если М≠М* это означает что данной стр в физ ОЗУ нет. Формируется сигнал неQ который вызывает подпрогу прерывания проц которой требуется загр недостающую стр внешн ЗУ (в качестве внешнего ЗУ может быть винт) в физ ОЗУ, при этом необх-мо сделать следующее:

1)Анализируется поле признаков, проверяется поле v (v по сбросу сбрас в 0 изначально ЗУ пустое).Если осущ запись стр в физ ОЗУ v устанавливается в 1. Чтобы уничножить стр достаточно v=0. Если v=0 значит в физ ОЗУ есть своб стр и на это место можно загр недостающую стр из внеш ЗУ .

2)Если все v=1 ,анализир признак старости стр R.Обычно признак старости R периодически сбрас в 0 по таймеру, при обращении к стр R автомат уст в 1.Если R=0 это значит что к данной стр давно не было обращений и на ее место можно загр требуемую стр, при этом возм след вариант:

а)Во время работы со старой стр команда записи не проходила, признак команды записи W=0 означает что точная копия этой стр нах-ся на винте => ее можно стирать в ОЗУ(v=0).

б)Проходила команда записи(w=1) означает что инф в ОЗУ отличается от копии на винте, тогда необходимо переписать инф с данной стр обратно на винт. Затем загрузить новую стр на место старой.

3)При работе со стр анализир-ся признаки приоритетов стр a и b.

-только для чтения ОС

-чтение + запись ОС

-чтение польз-ля + все действияОС

-чт/запись польз+все действияОС

Если объем стр мал, прерывание на данную стр происходит часто, “закачивается” инф маленькими порциями, но если объем стр большой прерыв происх реже, но перегоняются большие объемы инф. Для орг вирт памяти требуются средства аппаратной поддержки.

Увеличение объема памяти приводит к уменьш быстродейств (время на дешифрацию) .Кроме этого обращение в внешн памяти (выход за пределы кристалла) снижает быстр примерно на порядок по сравн с быстр внутри кристалла (СРU≈2 ГГц, обращение к памяти 125-133 МГц). Подавляющее большинство программ носит циклический характер.

КЭШ память предназначена для хранения последних наиболее часто встречающихся команд. КЭШ-память располагается или внутри кристалла проц или максимально близко к нему и время обр к КЭШ-памяти не порядок быстрее чем к глобальному ДОЗУ.

Модуль памяти предствляется в виде 32 разрядных слов при 16 разрядной ША. После каждого обращения к ДОЗУ в КЭШ записывается 32 разрядное слово (16 разрадов, которые просит проц и 16 разрядов следущих). Т.к. вероятность выборки следующего слова большая, это уменьшает число обращений к глобальному ДОЗУ

Адрес в контролере КЭШ трактуется следующим образом:

Младш часть адреса L выбирает одну из ячеек КЭШ-памяти (разрядность L определяется количеством ячеек в КЭШ).

Старш часть адр M сравнивается со старшей частью адреса, записанного в ячейку КЭШ (Tag). Если они совпадают, то это значит, что по данному адресу уже было обращение и в КЭШ есть быстрая копия, тогда формируется сигнал Hit, который сообщает системному контролеру, что цикл обращения быстрый, открывает MX, и с помощью сигнала A1 выбирается соответствующее 16 разрядное слово из КЭШ.

Если они не совпали, значит в КЭШ копии нет, Hit равен 1, идет обращение к глобальному ДОЗУ и одновременно в КЭШ в возбужденную ячейку (младшим адресом L) записывается старшая часть адреса на место Tag и данные на место D0 и D1.

О том, что в КЭШ памяти находятся данные сообщает признак истинности V (после системного сброса V устанавливается в 0, при записи в 1).

Т.к. L небольшая и она одинакова для различных значений M, для того чтобы можно было хранить хотя бы два различных слова с одинаковым L в КЭШ организуется два банка (они идентичны). Для того чтобы выбрать банк куда надо записывать последнюю копию используется признак старости S.

КЭШ дает выигрыш в быстродействии только в цикле чтения. Циклы записи имеют то же время.