Лекция №4. Оперативная память. КЭШ-память.

Кроме центрального процессора и микропроцессорного комплекта (чипсета) на материнской плате расположено еще одно важнейшее устройство - оперативная память или оперативное запоминающее устройство (RAM – Random Access Memory) или ОЗУ.

Очень важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее процессор берет программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен. При выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается.

От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит, с какими программами Вы сможете на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо вовсе не будут работать, либо станут работать крайне медленно.

Эта память используется для временного хранения данных, обрабатываемых центральным процессором. Однако в ОЗУ хранятся не только данные, туда перед запуском должна быть записана программа.

Существует много различных типов ОП, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки с динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве. Если ОП постоянно не «подзаряжать», утрата информации происходит мгновенно. Для устранения этого в компьютере происходит постоянная регенерация (подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггерах хранится не заряд, а состояние, поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложен и, соответственно, дороже.

Память ЭВМ организована по иерархической лестнице, т.е. устройства обладающие большим объемом памяти обладают меньшим быстродействием. Наибольшим быстродействием обладают СОЗУ (сверх ОЗУ). Они обычно реализуются на регистрах, поэтому в МП СОЗУ называется РОН. Объем памяти СОЗУ очень мал. Обычно памятью машины называют ОЗУ. Быстродействие ОЗУ должно быть не меньше чем быстродействие электронных схем операционной части, памяти должно быть достаточно для записи программы решаемой задачи, а так же исходных данных, промежуточных и конечных результатов. Внешние запоминающие устройства обладают практически неограниченным объемом памяти и наименьшим быстродействием. ОЗУ не сохраняет информацию при отключении питания. Существуют ПЗУ, которые сохраняют информацию при отключении питания. ПЗУ работают только в режиме чтения, а ОЗУ в режиме чтения и записи. Существуют перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ), которые сохраняют информацию при отключении питания и допускают запись информации. При этом время записи во много раз больше времени считывания. Считывание информации из ОЗУ может происходить с разрушением информации или без.

При разрушении информации при считывании необходимо дополнительное время на восстановление информации. Время считывания состоит из времени поиска адреса, времени собственного считывания и времени регенерации (восстановления) считанной информации. ОЗУ реализуется на микросхемах. Элемент памяти реализован на триггерах. Триггер может быть построен на биполярных и униполярных транзисторах.

По шине адреса (ША) в регистр адреса поступает n - разрядный двоичный код адреса. n1 разряд используется для записи номера строки, а n2 - для записи номера столбца. Дешифраторы строк и столбцов вырабатывают управляющие сигналы на соответствующих выходах. Под действием этих управляющих сигналов происходит выбор адресуемого элемента памяти, если на входе выбора кристалла (ВК) дешифратора строк "1", то ОЗУ находится в режиме хранения. Если на ВК "0", то ОЗУ находится или в режиме чтения, или в режиме записи. Нормальным является режим чтения. Информация поступает через усилитель чтения (УЧ) и выходной триггер.

Режим записи обеспечивается подачей сигнала разрешения записи (РЗ) на усилитель записи (УЗ). Информация через триггер и УЗ подается на информационные цепи 1 и 0. Триггеры реализованы на МДП - транзисторах.

Транзисторы VT2 и VT4 являются нагрузкой триггера. Напряжение затвор - исток этих транзисторов имеет нулевое значение, поэтому они всегда открыты. Триггер реализован на VT1 и VT3. В нем записана "1", если VT1 закрыт. При совпадении сигналов от дешифратора строк и столбцов триггер готов к записи или считыванию информации. Управляющий сигнал с выхода дешифратора столбцов действует на VT7 и VT8. Управляющий сигнал с выхода дешифратора строк воздействует на VT5 и VT6.

Запись "1" производится в том случае, если на информационную цепь (ИЦ) нуля поступает логический "0". Для записи "0" логический "0" подается в ИЦ1.

В режиме чтения состояние триггера передается через открытые VT5-VT8 в информационные цепи. Если элемент памяти хранит "1", то уровень "1" поступает в ИЦ1, а если "0", то уровень логической "1" поступает в ИЦ0.

Кэш- память. Для достаточно быстрых компьютеров (например,на основе Intel® Pentium® 4 / Celeron® с тактовой частотой от 1.4 до 3.06ГГц и выше) необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, ина­че микропроцессор будет простаивать и быстродействие компьюте­ра уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью,т.е. "сверхоперативной" памятью относительно не­большого объема (обычно от 64 до 256 Кбайт),в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти.

Кэш-па­мять располагается "между" микропроцессором и оперативной па­мятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала произ­водится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной па­мяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору дан­ные содержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Для компьютеров на основе Intel-80386DX или 80486SX размер кэш-памяти в 64 Кбайт является удовлетворитель­ным,128 Кбайт - вполне достаточным. Компьютеры на основе Intel-80486DX и DX2 обычно оснащаются кэш-памятью емкостью 256 Кбайт.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32-разрядная адресация, а это означает, что всего независимых адресов может быть 2³². Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы и обычно составляет несколько сот Мбайт.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения – однорядные (SIMM –модули) и двухразрядные (DIMM – модули). На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять только парами (количество разъемов для их установки на материнской плате всегда четное), а DIMM – модули можно установливать по одному.

Основными характеристиками модулей ОП являются объем памяти и время доступа. SIMM –модули поставляются объемами 4,8,16,32 Мбайт, а DIMM – модули – 16,32,64,128 Мбайт и более. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти – чем оно меньше, тем лучше. Время доступа к ОП для SIMM – модулей – 50 – 70 нс. Для DIMM – модулей оно составляет 7-10 нс.

Почему вся память компьютера не работает так же быстро, как ОЗУ? Тому есть две причины. Во-первых, быстродействующая память дорого стоит. Во-вторых, все данные, хранящиеся в ОЗУ, пропадают при выключении питания компьютера.

Кроме ОЗУ на материнской плате есть микросхема постоянного запоминающего устройства (ROM или ПЗУ). Данные записываются в ПЗУ один раз при изготовлении микросхемы на заводе и обычно не могут быть изменены впоследствии. В ПЗУ хранятся программы, которые компьютер запускает автоматически при включении питания.

В момент включения компьютера процессору нужны команды. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ. Процессор обращается по выставленному адресу за свой первой командой. Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой ничего нет. Он указывает на другой тип памяти – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Далее начинает работать по программам.

Эти программы предназначены для проверки исправности и обслуживания аппаратуры самого компьютера. Они также выполняют первоначальную загрузку главной обслуживающей программы компьютера - так называемой операционной системы.

Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System). Основные назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков.

Наглядно ОЗУ и ПЗУ можно представить себе в виде массива ячеек, в которые записаны отдельные байты информации. Каждая ячейка имеет свой номер, причем нумерация начинается с нуля. Номер ячейки является адресом (Address) байта.

Центральный процессор при работе с ОЗУ должен указать адрес байта, который он желает прочитать из памяти или записать в память (рис.2.12). Из ПЗУ можно только читать данные. Прочитанные из ОЗУ или ПЗУ данные процессор записывает в свою внутреннюю память, устроенную аналогично ОЗУ, но работающую значительно быстрее и имеющую емкость не более десятков байт.

Рис. 2.12. Работа процессора с ОЗУ.

Процессор может обрабатывать только те данные, которые находятся в его внутренней памяти, в ОЗУ или в ПЗУ. Все эти виды устройства памяти называются устройствами внутренней памяти, они обычно располагаются непосредственно на материнской плате компьютера (внутренняя память процессора находится в самом процессоре).