Параметры оценки быстродействия памяти

Оценка быстродействия памяти производится по трем параметрам:

1) время доступа (access time, T_А):

1. Для памяти с произвольным доступом – интервал времени от момента поступления адреса до момента, когда данные заносятся в память или становятся доступными.

2. В ЗУ с подвижным носителем информации – время, затрачиваемое на установку головки записи-считывания (или носителя) в нужную позицию.

2) Длительность цикла памяти или период обращения (memory cycle, T_C).

Применимо к памяти с произвольным доступом.

Означает минимальное время между двумя последовательными обращениями к памяти.

Включает в себя время доступа плюс некоторое дополнительное время (для затухания сигналов на линиях, восстановления считанной информации и т.д.).

При чтении: . При записи:

Длительности цикла памяти:

3) Скорость передачи (transfer rate):

Скорость, с которой данные могут передаваться в память или из нее.

Для памяти с произвольным доступом: 1/Т_C.

Для прочих видов памяти: где Т_N – среднее время считывания или записи N битов; Т_A – среднее время доступа; R – скорость пересылки, бит/с.

53. Иерархическая архитектура памяти компьютера: предпосылки внедрения, принципы реализации и функционирования.

Закономерность в используемых ЗУ:

- чем меньше время доступа, тем выше стоимость хранения бита;

- чем больше емкость, тем ниже стоимость хранения бита, но больше время доступа.

Цель разработки системы памяти – обеспечить требуемую емкость и высокое быстродействие за приемлемую цену. Наиболее распространенный подход – построение системы памяти по иерархическому принципу.

Особенности:

1. Состоит из ЗУ различных типов, которые, в зависимости от характеристик, относят к определенному уровню иерархии.

2. Более высокий уровень меньше по емкости, быстрее и имеет бОльшую стоимость в пересчете на бит, чем более низкий уровень.

3. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и т. д.

Характеристики иерархической системы памяти: по мере движения вниз по иерархической структуре: +Уменьшается соотношение «стоимость/бит». +Возрастает емкость. -Растет время доступа. +Уменьшается частота обращения к памяти со стороны центрального процессора.

Принципы реализации уровней иерархии:

- Уровни иерархии образуют: верхние – внутреннюю память; нижние – внешнюю или вторичную память.

- Все виды внутренней памяти: реализуются на основе полупроводниковых технологий; в основном являются энергозависимыми.

- Внешние ЗУ обеспечивают долговременное хранение больших объемов информации. Наиболее распространены: ЗУ на базе магнитных и оптических дисков; магнитоленточные ЗУ.

54. Локальность по обращению: виды, использование в архитектурных решениях.

Локальность по обращению позволяет эффективно реализовывать многоуровневую систему памяти. Принцип локальности в численной форме представляют в виде правила «90/10»: 90% времени работы программы связано с доступом к 10% адресного пространства этой программы.

Существуют три вида локальности:

- пространственная локальность программы: с очень высокой вероятностью адрес очередной команды программы: = следует непосредственно за адресом, по которому была считана текущая команда; = расположен вблизи него.

- пространственная локальность данных: обрабатываемые данные, как правило, структурированы, и такие структуры обычно хранятся в последовательных ячейках памяти.

- временная локальность данных: программы содержат множество небольших циклов и подпрограмм. Небольшие наборы команд могут многократно повторяться в течение некоторого интервала времени.

Программу представляют в виде последовательно обрабатываемых фрагментов – компактных групп команд и данных (кластеров).

Помещая такие фрагменты в более быструю память, можно существенно снизить общие задержки на обращение:

- команды и данные, будучи один раз переданы из медленного ЗУ в быстрое, затем могут использоваться многократно;

- среднее время доступа к ним в этом случае определяется уже более быстрым ЗУ.

К архитектуре иерархической системе: локальность по обращению позволяет хранить программы и данные в дешевых емких ЗУ, а в процессе обработки активно использовать дорогую, быструю память малой емкости.

55. Иерархия памяти компьютера: характеристики, описание уровней.

Характеристики эффективности уровней памяти:

- коэффициент попаданий (hit rate) – отношение числа обращений к памяти, при которых произошло попадание, к общему числу обращений к ЗУ данного уровня иерархии;

- коэффициент промахов (miss rate) – отношение числа обращений к памяти, при которых имел место промах, к общему числу обращений к ЗУ данного уровня иерархии;

- время обращения при попадании (hit time) – время, необходимое для поиска нужной информации в памяти верхнего уровня, плюс время на фактическое считывание данных;

- потери на промах (miss penalty) – время, требуемое для замены блока в памяти более высокого уровня на блок с нужными данными, расположенный в ЗУ следующего (более низкого) уровня; включает в себя:

= время доступа (access time);

= время пересылки (transfer time).

Характеристики уровней иерархии памяти:

- размещение блока – как выделяется место для блока с нижнего уровня;

- идентификация блока – поиск блока на примыкающем сверху уровне;

- замещение блока – выбор блока, замещаемого при промахе (для освобождения блока);

- согласование копий (стратегия записи) – обеспечение согласованности копий одних и тех же блоков, расположенных на разных уровнях (при записи на более высоком уровне).

Обычно иерархия представлена такими уровнями памяти:

1. Регистры ЦП – СверхОЗУ, СОЗУ – очень быстрые, минимальные по емкости; обычно количество регистров невелико.

2. Кэш-память (может быть представлена несколькими уровнями; обозначается Li, где i = номер уровня) – меньше по емкости, чем ОП, но быстрее.

3. ОП

4. Дисковая кэш-память

5. Магнитные диски, RAID

6. Оптические диски

7. ЗУ на магнитных лентах

56. Основная память компьютера: назначение, типы запоминающих устройств, способы организации

ОП - единственный вид памяти (за исключением регистров), к которой ЦП может обращаться непосредственно. Информация, хранящаяся на внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память. Реализуется на основе запоминающих устройств с произвольным доступом.

Типы ЗУ:

- оперативное ЗУ (ОЗУ, RAM – random access memory – некорректное название):

Свойства:

= допускает как запись, так и считывание информации;

= обе операции выполняются однотипно, практически с одной и той же скоростью;

= операции производятся с помощью электрических сигналов.

ОЗУ может быть энергозависимым (большинство) и энергонезависимым. Энергозависимые ОЗУ, по сравнению с энергозависимыми, имеют бОльшую емкость, небольшое энергопотребление и высокое быстродействие.

Энергозависимые ЗУ:

- динамическая память (DRAM – Dynamic Random, Access Memory) – хранит информацию короткий промежуток времени, по истечение которого информация должна быть восстановлена, запоминающий элемент выполнен из конденсатора или запирающего транзистора.

- статическая память (SRAM – Static Random Access Memory) – при наличии питания хранит информацию неограниченно долго, выполняется на основе триггера (4/6 транзисторов);

Энергонезависимые ОЗУ - NVRAM – Non-Volatile RAM. От перепрограммируемых ПЗУ отличаются отсутствием этапа стирания информации.

- постоянное ЗУ (ПЗУ) – энергонезависимая память. Обеспечивает только считывание информации. Некоторые ПЗУ позволяют изменение информации но процесс записи –

«программирование» - сильно отличается от считывания и требует значительно больше времени. По возможности программирования ПЗУ бывают:

- программируемые при изготовлении;

- однократно программируемые (после изготовления);

- многократно программируемые.

Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в запоминающем массиве. По этому признаку различают память:

- адресную;

- ассоциативную;

- стековую.