Организация системы памяти. Иерархия памяти современного компьютера

В любой ЭВМ данные хранятся в памяти. Функции памяти обеспечиваются запоминающимися устройствами (ЗУ), предназначенными для фиксации, хранения и выдачи информации в процессе работы ВМ. Процесс фиксации информации в ЗУ называется записью, процесс выдачи информации из ЗУ – чтением, в совместно их определяются как процессы обращения к ЗУ,

По месту расположение ЗУ делятся на 3 типа:

1. Процессорные (РОНы, cache-память 1ур.) – в кристалле процессора.

2. Внутренние - на системной плате (cache 2 ур. и выше, ОЗУ, ПЗУ, буферы контроллера шины внешнего ЗУ).

3. Внешние (HDD, гибкие оптич. накопители, магнитные ленты, перфоркарты).

Иерархия памяти (быстродействие уменьшается, объём увеличивается):

РОН – наиболее быстродействующие, работают на частоте процессора, время доступа 10 нс, взаимодействие определяет компилятор и программа, объём до 512байт.

КЭШ1 – работает на частоте процессора, время доступа 10-15 нс, взаимодействие определяет аппаратура, объём до 128 кб.

КЭШ2 – работает на частоте процессорной шины, время доступа 15-30 нс, взаимодействие определяет аппаратура, объём скорость до 1 Мб.

ОП – строится на базе динамической памяти, время доступа 20-40 мкс, взаимодействие определяет аппаратура, объём до 10Гб.

FIFO –буфер контроллера шины внешнего ЗУ, время доступа до 100мкс, взаимодействие определяет аппаратура, располагается в контролере шины внешнего ЗУ.

БВЗУ – буфер внешнего ЗУ (дисковая cache-память), время доступа 50-100мкс, объём – 8-16Мб.

ВЗУ – внешние ЗУ, время доступа 8-10 мс, объём – (неограничен), взаимодействие определяет аппаратура и ОС.

Основные направления развития подсистемы памяти:

1. Увеличение ёмкости.

2. Увеличение пропускной способности.

3. Повышение надёжности (новые технологии изготовления, новая элементная база схемные решения – RAID-массивы, для ОП – CRC коды).

4. Снижение стоимости.

5. Уменьшение энергопотребления.

6. Уменьшение массы/габаритов.

Основные пути повышения производительности:

1) Повышение размеров кэш-памяти.

2) Многоуровневая организация кэш-памяти.

3) Расширение регистрового файлы.

4) Повышение полосы пропускания системной шины.

5) Увеличение разрядности канала данных памяти.

6) Использование памяти с расслоением (конвейерное обращение к банкам памяти).

КЭШ-память

 

Cache – «скрытый», «спрятанный».

1965г.

Обычно строится на основе статической памяти (не требует регенерации).

Основная идея, принцип:

При обращении процессора к памяти сначала происходит поиск данных в КЭШ. Если они найдены, то обращения к ОП не происходит. В противном случае при считывании из ОП происходит отображение участка ОП в КЭШ.

Если при обращении необходимые данные есть в КЭШ – КЭШ-попадание (hit). Если отсутствуют – КЭЩ-промах (miss).

При построении КЭШ-памяти нужно учитывать:

· Стоимость.

· Пропускную способность.

· Объём аппаратных затрат.

· Сбалансированность.

· Размер кэш-строки.

Каждое слово в ОП имеет N-разрядный адрес. По отношению к КЭШ ОП – это M блоков фиксированной длины по K слов в блоке.

Кэш состоит из C блоков (строк).

Размер строки = размеру блока ОП.

С<<M ® Невозможно определённому блоку ОП выделить определённую строку в КЭШ (иначе в чём смысл?!)

Тэг – поле признака (суть – определить, какой из блоков ОП в КЭШе). Часто в качестве тэга используется часть адреса блока ОП.

Коэффициент удачный обращений – должен стремиться к оптимуму.

Зависит от:

- Размеров КЭШа.

- Размера строки КЭШ-памяти.

- Выполняемой программы.

- Алгоритма управления КЭШ-памятью.

- Дисциплины организации КЭШ-памяти (способ отображения, алгоритм согласования).

Типы КЭШ-памяти

3 условия отображения

1) отображение должно обеспечивать быструю проверку КЭШа на наличие в нём блока ОП.

2) Должно обеспечивать быстрое преобразование адреса блока ОП в адреса строки КЭШа.

3) Условия 1) и 2) должны реализовываться более экономичными средствами.

По способу отображения КЭШ: