Методы и способы организации памяти

Под памятью цифровых вычислительных устройств понимают запоминающее устройство, предназначенное для приема (записи), хранения и выдачи (считывания) информации, представленной двоичным кодом. Основными характеристиками ЗУ являются:

информационная емкость, определяемая максимальным объемом хранимой информации в битах или байтах; быстродействие, характеризуемое временем выборки информации из ЗУ и временем цикла обращения к ЗУ с произвольным доступом или временем поиска и количеством переданной в единицу времени информации в ЗУ

(или из ЗУ) с последовательным доступом; энергопотребление, определяемое электрической мощностью, потребляемой ЗУ от источника питания в каждом из режимов работы, а также надежность, стоимость, масса, габаритные размеры и др.

Со времени появления больших (по размерам) компьютеров сложилось деление памяти на внутреннюю и внешнюю:

внутренняя память – электронная (полупроводниковая) память, уста-

навливаемая на системной плате или на платах расширения; внешняя память – память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями. Обычно это устройство магнитной (дисковой и ленточной) памяти, оптической и магнитооптической памяти.

Для процессора непосредственно доступной является внутренняя (оперативная) память.

Основная, или оперативная, память (MainMemory) компьютера используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью (например, дисковой) и периферийными подсистемами (графика, ввод/вывод, коммуникации и т. п.). Ее другое название – ОЗУ – примерно соответствует английскому термину RAM (RandomAccessMemory) – память с произвольным доступом. Произвольность доступа подразумевает возможность операций записи или чтения любой ячейкой ОЗУ в произвольном порядке.

Требования, предъявляемые к основной памяти: большой (для электронной памяти) объем, исчисляемый единицами,

десятками и даже сотнями мегабайт; быстродействие и производительность, позволяющие реализовать вы-

числительную мощность современных процессоров; высокая надежность хранения данных – ошибка даже в одном бите,

в принципе, может привести и к ошибкам вычислений, и к искажению, и потере данных.

Оперативная память является одним из трех основных элементов, на которых держится «компьютерный мир» (процессор, память и периферийные устройства).

Оперативное хранение информации выполняет динамическая память, имеющая наилучшее сочетание объема, плотности упаковки, энергопотребления и цены. Однако ей присуще невысокое (по характеристикам современных процессоров) быстродействие. Динамическую память замещает статическая, быстродействие которой выше, но достижимая емкость принципиально ниже, чем у динамической.

Обсудим основные параметры оперативной памяти – быстродействие, производительность, достоверность хранения и методы их улучшения.

Время доступа (accesstime) определяется как задержка появления действительных данных на выходе памяти относительно начала цикла чтения.

Длительность цикла определяется как минимальный период следующих друг за другом обращений к памяти, причем циклы чтения и записи требуют различных затрат времени.

Производительность памяти характеризуется скоростью потока записываемых или считываемых данных и измеряется в мегабайтах в секунду. Производительность подсистемы памяти зависит от типа и быстродействия применяемых запоминающих элементов, разрядности шины памяти и некоторых особенностей архитектуры.

Разрядность шины памяти – это количество байт (или бит), с которыми операция чтения или записи может быть выполнена одновременно. Разрядность основной памяти обычно согласуется с разрядностью внешней шины процессора (1 байт – для I8088; 2 байта – для I8086, I80286, I386SX; 4 байта – для I386DX, I486; 8 байт – для Pentium и выше). Вполне очевидно, что при одинаковом быстродействии микросхем или модулей памяти производительность блока с большей разрядностью будет выше, чем у малоразрядного. Именно с целью повышения производительности у 32-битного (по внутренним регистрам) процессора Pentium внешняя шина, связывающая его с памятью, имеет разрядность 64 бита.

Банком памяти называют комплект микросхем, или модулей (а также их посадочных мест – «кроваток» для микросхем, слотов для SIMM или DIMM), обеспечивающий требуемую для данной системы разрядность хранимых данных. Работоспособным может быть только полностью заполненный банк. Внутри одного банка практически всегда должны применяться одинаковые (по типу и объему) элементы памяти.

Если устанавливаемый объем памяти набирается несколькими банками, появляется резерв для повышения производительности за счет применения чередования банков (bankinterleaving). Идея чередования заключается в том, что смежные блоки данных (разрядность такого блока данных соответствует разрядности банка) располагаются поочередно в разных банках. Чем больше банков участвуют в чередовании, тем выше (теоретически) предельная производительность. Чаще всего используется чередование двух или трех банков (twowayinterleaving, threewayinterleaving).

Применение теневой памяти (shadowmemory) позволяет повысить производительность компьютера при интенсивном обращении к относительно медленной памяти модулей ROM BIOS и видеопамяти. Идея метода заключается в «затенении» медленного модуля специальной памяти блоком быстродействующей оперативной памяти.

При использовании ShadowROM содержимое затеняемой области (ROM) копируется в RAM и при дальнейшем обращении по этим адресам подставляется физическая область RAM, а запись в эту область блокируется. При использовании ShadowRAM запись производится одновременно в физическую память затеняемой области и в оперативную память (RAM), а при чтении обращение идет только к оперативной памяти. Shadow RAM обычно применяется для ускорения работы графических адаптеров.

Разделяемая память адаптера – память, содержимое которой может изменяться как со стороны системной шины (по инициативе процессора или других ее абонентов), так и со стороны адаптера, составной частью которого она является. Примерами разделяемой памяти являются буферная память коммуникационных адаптеров (она в произвольный момент времени может быть заполнена принятым из сети пакетом) и видеопамять адаптеров с графическими сопроцессорами (битовое разложение графического примитива строится в ней внутренним процессором графического адаптера).

Теневая память дает двойной эффект повышения производительности: затеняемые области обычно имеют малую разрядность (ROM BIOS – 8 бит, видеопамять небольшого объема – 8 или 16 бит) и низкое быстродействие (ROM имеет время доступа более 100 нс, а обращение к видеопамяти тормозится конкурирующим процессом – регенерацией изображения).

В процессорах I486 и старше для повышения производительности обмена данными с последовательно расположенными ячейками памяти введен так называемый пакетный цикл обмена –BurstCycle. Обычный цикл обмена имеет фазу адреса и фазу данных. Пакетный цикл предназначен для последовательного обмена обычно с четырьмя соседними элементами (байт, слово, двойное слово,...) памяти. При этом фаза адреса существует только в начале цикла, а следующие три передачи осуществляются без нее: подразумевается автоматическое изменение адреса по определенным правилам.

В любой из многих миллионов ячеек памяти возможен случайный сбой или окончательный отказ, приводящий к ошибке. Вероятность ошибки, естественно, возрастает при увеличении объема памяти.

Отказ ячейки памяти – потеря ее работоспособности, обычно требующая замены элемента памяти. Отказ может быть устойчивым, но возможно и самопроизвольное восстановление работоспособности, например после повторного включения питания. Часто причиной отказов является неисправность контакта или нарушение условий эксплуатации.

Случайный сбой может произойти и в исправной микросхеме памяти, например при пролете через нее ионизирующей частицы (по этой причине в условиях высокого уровня радиации обычные электронные элементы неработоспособны). После сбоя следующая запись в ячейку произойдет нормально.

В первых моделях персональных компьютеров (РС) обязательно применялся контроль четности. При его использовании каждый байт памяти сопровождался битом паритета (Paritybit), дополняющим количество единиц в байте до нечетного. При обнаружении ошибки паритета схемой контроля вырабатывается немаскируемое прерывание (NMI) и его обработчик обычно выводит на экран сообщение ParityErrorCheck (ошибка паритета) с указанием адреса сбойной ячейки и останавливает процессор командой Halt.