Адресная организация памяти компьютера

Размещение и поиск информации в запоминающем массиве (ЗМ) основаны на использовании адреса хранения слова. Адресом служит номер ячейки ЗМ, в которой это слово размещается. При записи (или считывании) слова в ЗМ инициирующая эту операцию команда должна указывать адрес, по которому производится запись (считывание).

Адресная память с произвольной выборкой содержит запоминающий массив из N n-разрядных ячеек и его аппаратурное обрамление, включающее в себя:

- регистр адреса РгА, имеющий k (k ≥ log₂N) разрядов;

- информационный регистр РгИ;

- блок адресной выборки БАВ;

- блок усилителей считывания БУС;

- блок разрядных усилителей формирователей сигналов записи БУЗ;

- блок управления памятью БУП.

По коду адреса в РгА БАВ формирует в соответствующей ячейке памяти сигналы, позволяющие произвести в ячейке считывание или запись слова. БУП генерирует необходимые последовательности управляющих сигналов, инициирующих работу отдельных узлов памяти.

58. Блочная организация памяти: назначение, виды, факторы эффективности применения.

Блочная организация памяти подразумевает объединение нескольких интегральных микросхем (ИМС) ЗУ. Блочная организация используется, если:

- разрядность ячеек в ИМС ЗУ меньше разрядности машинного слова. Увеличение разрядности реализуется за счет объединения адресных входов нескольких ИМС ЗУ. Полученную совокупность микросхем называют модулем памяти.

Модулем можно считать и единственную микросхему, если она уже имеет нужную разрядность. Один или несколько модулей образуют банк памяти.

- емкость основной памяти слишком велика, чтобы ее можно было реализовать на базе единственной ИМС; увеличение емкости достигается за счет использования нескольких банков памяти.

Виды блочной структуры ОП:

При использовании блочной памяти, состоящей из В банков, адрес ячейки A преобразуется в пару (b, w), где b – номер банка, w – адрес ячейки внутри банка.

Схемы распределения разрядов адреса A между b и w:

- блочная (b определяется старшими разрядами адреса);

- циклическая (b = A mod b; w = A div В);

- блочно-циклическая (комбинация двух предыдущих).

59. Расслоение памяти и чередование адресов: назначение, принцип реализации.

Расслоение памяти - один из методов обеспечения параллельного доступа к нескольким банкам. В его основе – механизм чередования адресов, заключающийся в циклическом распределении адресов между банками памяти. При таком распределении адресов младшие разряды адреса определяют номер банка памяти, а старшие разряды – номер ячейки в банке.

Чередование адресов базируется на свойстве локальности по обращению.

Т.к. в каждом такте на шине адреса может присутствовать адрес только одной ячейки, параллельное обращение к нескольким банкам невозможно, однако оно может быть организовано со сдвигом на один такт. Адрес ячейки запоминается в индивидуальном регистре адреса (РА), и дальнейшие операции по доступу к ячейке в каждом банке протекают независимо.

Если ОЗУ состоит из В банков, то производительность увеличивается почти В раз, если ячейки, к которым последовательно обращаются, относятся к разным банкам. Если последовательно идут запросы к одному банку, возникает конфликт по доступу. В таком случае для получения информации необходимо ждать завершения предыдущего.

Блочно-циклическая структура - схема расслоения памяти, при которой:

- каждый банк состоит из нескольких модулей, адресуемых по циклической схеме;

- адреса между банками распределены по блочной схеме.

Адрес ячейки разбивается на три части:

- старшие биты определяют номер банка;

- средняя группа разрядов указывает на ячейку в модуле;

- младшие биты выбирают модуль в банке.

60. Ассоциативная память: логическая организация, функционирование.

Ассоциативное ЗУ - устройство, способное хранить информацию, сравнивать ее с некоторым заданным образцом и указывать на их соответствие или несоответствие друг другу. Реализует поиск информации не по адресу, а на основании какого-нибудь характерного признака, содержащегося в самой информации. Ассоциативный признак – признак, по которому производится поиск информации. Может быть частью искомой информации или дополнительно придаваться ей; в этом случае его называют тегом или ярлыком. Признак поиска – кодовая комбинация, выступающая в роли образца для поиска.

Организация ассоциативного ЗУ:

ЗМ – N ячеек разрядностью (n+1), n – индикатор занятости;

РгАП – регистр ассоциативного признака;

РгМ – регистр маски – запрещает сравнения отдельных битов;

ССв – схемы совпадения – параллельно сравнивает биты всех хранимых слов с соответствующими битами признака поиска и вырабатывает сигналы совпадания;

РгСв – регистр совпадения - каждый разряд соответствует ячейке ЗМ. 1 – совпадение всех разрядов по признакам поиска;

ФС – формирователь признаков совпадения – анализирует РгСв.

Функционирование АЗУ:

1. В регистре маски обнуляются разряды, которые не должны учитываться при поиске информации.

2. Все разряды регистра совпадений устанавливаются в единичное состояние.

3. В регистр ассоциативного признака заносится код признак поиска.

4. В процессе поиска схемы совпадения одновременно сравнивают первый бит всех ячеек запоминающего массива с первым битом признака поиска.

5. Схемы, которые зафиксировали несовпадение, формируют сигнал, переводящий соответствующий бит регистра совпадений в нулевое состояние.

6. Процесс поиска повторяется для остальных незамаскированных битов признака поиска.

7. В итоге единицы сохраняются лишь в тех разрядах регистра совпадений, которые соответствуют ячейкам, где находится искомая информация.

8. Конфигурация единиц в регистре совпадений используется в качестве адресов, по которым производится считывание из запоминающего массива.

9. Т.к. результаты поиска могут оказаться неоднозначными, содержимое регистра совпадений подается на комбинационную схему, где формируются сигналы, извещающие о том, что искомая информация: α0 – не найдена; α1 – содержится в одной ячейке; α2 – содержится более чем в одной ячейке.

61. Кэш-память компьютера: общий принцип функционирования, логическая организация.

Концепция:

1. Использование двухуровневой памяти: между ОП и процессором размещается быстродействующая буферная память небольшого объема – решение проблемы отставания скорости работы ОП от скорости ЦП.

2. В процессе работы в буферную память копируются те участки ОП, к которым производится обращение со стороны процессора.

Кэш-память: содержит копии частей ОП; обычно скрыта от программиста (невозможно адресовать). Когда ЦП пытается прочитать слово из ОП, сначала осуществляется поиск копии этого слова в кэше.

1. Обнаружение копии – успешное обращение (кэш-попадание, cache-hit):

- обращение к ОП не производится;

- в ЦП передается слово, извлеченное из кэш-памяти.

2. Отсутствие копии в кэше – неудачное обращение (кэш-промах, cache-miss):

- требуемое слово передается в ЦП из ОП;

- из ОП в кэш-память пересылается блок данных, содержащий это слово.

Основная память содержит 2ⁿ адресуемых слов; каждое имеет уникальный n-разрядный адрес; рассматривается как M блоков фиксированной длины по К слов в каждом (M = 2ⁿ /K).

Кэш-память: К блоков аналогичного размера (строк), причем К<<М. Каждая строка имеет идентифицирующий ее тег. Т.к. К<<М одна строка из ОП не может постоянно находиться в кэш-памяти.

62. Кэш-память компьютера: характеристики, критерии эффективности.

Характеристики кэш-памяти:

1. емкость – должна быть малой, чтобы кэш не был дороже ОП; должна быть большой, чтобы время доступа к информации из ОП было удовлетворительным. Чем меньше емкость, тем более прост контроллер КЭШа.

2. размер строки – строка содержит адресуемое слово и соседние слов; считается оптимальным размер 4-8 адресуемых единиц (байт/слов).

3. способ отображения содержимого ОП на кэш-память – определяет скорость проверки кэша на наличие в нем блока ОП скорость преобразования адреса блока в ОП в адрес строки кэша. Отображение бывает: прямое, полностью ассоциативное, частично-ассоциативное (множественно-ассоциативное и посекторное).

4. алгоритм замещения информации в заполненной кэш-памяти – актуальны для полностью или частично-ассоциативного отображения; наиболее распространены такие алгоритмы: LRU, FIFO, LFU, Random.

5. алгоритм согласования содержимого ОП и кэш-памяти (в результате изменения ЦП информации в кэше или изменения ВУ информации в ОП) – сквозная запись, обратная запись, ввод информации в ОП вместе с изменением информации в кэше, доступ в ОП только через кэш-память.

6. тип кэш-памяти – смешанная или раздельная память для команд и данных.

7. число уровней кэш-памяти.

Эффективность кэш-памяти определяется исходя из конкретных решаемых задач. Критерием эффективной работы кэша можно считать уменьшение среднего времени доступа к памяти по сравнению с системой без кэш-памяти.