Лекция 6. Электронная память ПК

Организация памяти ЭВМ

Электронная память применяется практически во всех подсистемах ПК. Под памятью ЭВМ понимают устройства, служащие для запоминания, хранения и представления информации. Такие устройства называются также запоминающими устройствами(ЗУ).Производительность и вычислительные возможности ПК в значительной мере определяются организацией и характеристиками имеющийся у нее памяти. Так как стоимость памяти составляет существенную часть общей стоимости ПК, то в целях оптимального сочетания объема, быстродействия и стоимости память строится по иерархическомупринципу, включая несколько типов памяти, отличающихся организацией, характеристиками и назначением. В качестве основных характеристик памяти будем рассматривать ее объем в байтах и время доступа (запись/чтение) в микро- и наносекундах (мкс и нс). Под шириной доступа понимают объем считанной/записанной за одно обращение к памяти информации. В зависимости от типа памяти этот объем может составлять один байт, машинное слово или группу байтов. Именно время и ширина доступа определяют производительность операций с памятью ЭВМ.

Согласно сказанному, память современных ЭВМ в общем случае имеет многоуровневую организацию: внутренняя {сверхоперативная (СВОП), кэш-память, ПЗУ, ОП} и внешняя (НМД, НГМД, НМЛ и др.) память.

Рассмотрим пока только внутреннюю память как основнуюкомпоненту каждой ЭВМ. Сверхоперативная (регистровая) память и ПЗУ рассматривалась выше; здесь сделаем лишь несколько дополнений относительно ПЗУ. ПЗУ и их разновидности, например, программируемые логические матрицы (ПЛМ) широко используются для построения управляющих программных или микропрограммных памятей и различных логических комбинационных схем ЭВМ и систем автоматики. В результате современной полупроводниковой технологии ПЗУ стали компактными и их электронные схемы проще, чем для ОП.

Еще один важный элемент из числа устанавливаемых на системной плате ¾ это микросхема BIOS(Basic Input-Output System, базовая система ввода-вывода). Она представляет собой энергонезависимое постоянное запоминающее устройство, в которое записаны программы, реализующие функции ввода-вывода, а также программа тестирования компьютера в момент включения питания (POST, Power-On-Self-Test) и ряд других специальных программ.

В своей работе BIOS опирается на сведения об аппаратной конфигурации компьютера, которые хранит еще одна микросхема —CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor RAM). Это энергозависимая полупостоянная память, постоянно подпитывается от батарейки, которая тоже находится на системной плате. Та же батарейка питает и схему кварцевых часов, непрерывно отсчитывающих время и текущую дату. К полупостоянной памяти относится также ESCD ¾ (Extended Static Configuration Data) область энергонезависимой памяти, используемой для конфигурирования устройств Plug and Play.

Буферная память различных адаптеров (коммуникационных, дисковых и пр.) обычно является разделяемой между процессором и контроллерами устройств.

Специфическим примером буферной памяти является видеопамять дисплейного адаптера, которая используется для построения растрового изображения и его постоянного циклического вывода на монитор (регенерация изображения). Необходимый объем определяется видеорежимом и типом графического адаптера, для текстового режима MDA, было достаточно 4 Кбайт, для SVGA в режимах высокого разрешения требуется несколько мегабайт видеопамяти.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), или оперативная память(по-английски RAM, Random Access Memory, память с произвольным доступом, то есть возможны и чтение, и запись) реализована на СБИС. Скорость доступа, то есть время, необходимое для считывания данных из ОЗУ или записи их туда, у современных ОЗУ составляет около 60 нс. (60´10^-9 с).

Существуют два типа СБИС памяти: статическая (SRAM ¾ Static RAM) и динамическая.(DRAM ¾ Dynamic RAM).

В первых элементарную ячейку образуют так называемые триггерные схемы. Будучи установлена входным импульсом в одно из двух возможных состояний (“О” или “1”), такая схема сохраняет его до очередного импульса или до выключения питания. При считывании записанного в ячейку значения ее состояние тоже не изменяется. Иначе работает динамическая память: она состоит из микроскопических конденсаторов, каждый из которых может пребывать в состоянии “заряжен” (что символизирует двоичную единичку) или “не заряжен” (двоичный ноль). Чтобы сохранять данные в такой памяти, заряженные конденсаторы необходимо периодически “подпитывать”. Поэтому динамическое ОЗУ при прочих равных условиях существенно медленнее статического. Но зато оно менее энергоемко. Следует подчеркнуть, что оба вида памяти хранят данные лишь при постоянном электропитании. Про такое запоминающее устройство говорят, что оно энергозависимо. Данные в этой памяти стираются после выключения или перезагрузки компьютера.

Конструктивно современная СБИС ОЗУ (например, SIMM, single in-line memory module) представляет собой небольшую печатную плату с размещенными на ней микросхемами. В последнее время в основном применяются 72-контактные (72-pin) З2-битовые модули (32 бита — длина слова из четырех байт плюс по биту контроля четности на каждый байт).

Оперативная память служит для хранения информации (программы, данные, промежуточные и конечные результаты), непосредственно обеспечивающие текущий вычислительный процесс в АЛУ, и УУ процессора.

Способ организации ОП зависит от методов размещения и поиска информации в ней. По данным признакам различают адресную, ассоциативную и стековую память. Адресная память характеризуется тем, что размещение и поиск информации в ней основаны на адресномпринципе хранения слова; адресом слова является номер содержащей его ячейки. При доступе к такого типа памяти команда должна указывать номер (адрес) ячейки ОП прямо или косвенно через адресные регистры. Ассоциативная память обеспечивает поиск нужной информации не по ее адресу в ОП, а по ее содержанию; при этом поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек ОП. Во многих случаях такой тип памяти позволяет существенно упростить и ускорить обработку информации, что достигается за счет совмещения операции доступа с выполнением ряда логических операций. В ассоциативной памяти могут выполнятся достаточно сложные операции логического поиска. Подобно предыдущей стековаяпамять также является безадресной и ее можно представить в виде одномерного массива ячеек. В таком массиве соседние ячейки связаны друг с другом последовательной передачей слов: запись нового слова в ОП производится в ее верхнюю ячейку с номером 0, при этом все ранее записанные слова (включая 0-ячейку) сдвигаются на ячейку вниз, т.е. получают адрес на 1 больше прежних (до операции записи). Считывание в такого рода памяти производится только из ее 0-ячейки; при этом если производится считывание с удалением слова, то все остальные слова сдвигаются вверх на одну ячейку. Стековая память реализует LIFO-принцип доступа: Last Input ¾First Output (Последним пришел ¾ первым вышел). Для организации доступа (чтение/запись) к информации, хранящейся в ОП необходимо располагать эффективными механизмами адресации (прямая, косвенная, укороченная, регистровая, стековая, теговая и др.), зависящей от типа памяти и системы команд ЭВМ.

Кратко рассмотрим организацию адресной памяти 2D-типа (рис.6.1), являющегося одним из наиболее распространенных по причине его быстродействия и удобства реализации.

Рис.6.1.Функциональная схема организации адресной ОП 2D-типа

ОП такой организации обеспечивает двухкоординатную выборку каждого ЗЭ, в совокупности образующих матрицу из 2^m ячеек по n битов (разрядов). Каждый ЗЭ характеризуется использованием троичных сигналов (выборка при записи, выборка при чтении и отсутствие выборки) и совмещением линий входных и выходных сигналов; адресные и разрядные линии носят общее название линий выборки, объединяющих все ЗЭ матрицы. Адресные линии используются для выборки по указанному адресу совокупности ЗЭ матрицы, которым устанавливается режим чтение/запись. Выборка отдельных разрядов производится разрядными линиями, по которым осуществляется чтение/запись информации.

Адрес (n-разрядный) выбираемой j-й ячейки ОП (рис.6.1) поступает на схему формирования адреса (СФА); при этом под действием сигнала запись/чтение (W/R) CФА выдает сигнал настройки j-й линии на запись/чтение. Выделение k-разряда в j-слое производится второй координатной линией; при записи/чтении по k-линии посредством усилителя записи/чтения поступает входной/выходной сигнал, изменяющий/считывающий содержимое ЗЭ с (j, k)-координатами. Линии записи и чтения могут объединены в одну при использовании ЗЭ, допускающих соединение выхода со входом записи. Такой подход широко используется в современных ОП.

Кроме ОЗУ, в современных ПК обязательно присутствует и так называемая сверхоперативная память (ее называют ещекэш-памятью, от английского cache). Она предназначена для согласования скорости работы медленных устройств с более быстрыми, например микропроцессора н динамической памяти.

Кэш-память бывает двух уровней: кэш-память первого уровня размером до 32 Кбайт встраивается непосредственно в микропроцессор; кэш-память второго уровня размером до 512 Кбайт (и более) устанавливается (как правило) на системной плате. Кэш логически представляет собой промежуточный буфер, через которые перекачиваются данные. Кэширование может осуществляться как по записи, так и по чтению. Выигрыш по быстродействию достигается благодаря тому, что часто используемые данные находятся в КЭШе, и поэтому доступ к ним со стороны МП ускоряется.