Архитектура ПК История развития компьютерной графики Память Лабораторная работа «Дисковая подсистема ПК» Архитектура системной платы. Основной цикл работы компьютера

Память

Для достижения высшей производительности память должна иметь возможность быстро обмениваться данными с процессором. Общую память компьютера принято представлять в виде некоторой иерархии запоминающих устройств разной архитектуры (пирамиды);

Рис. 2.5. Иерархия запоминающих устройств

Автономная память – внешние носители

Внешняя память – HDD

Оперативная память – DRAM (Dynamic RAM) => SDRAM => DDR => DDR2

Кэш, регистры – внутренняя память процессора

В этом разделе рассмотрим оперативную память. Различия в современных модулях памяти

Память это массив (выбор по строкам и по столбцам). Сперва чип принимает адрес ряда и затем через несколько наносекунд по той же линии передается адрес колонки. Чип считывает данные и передает их на вывод. При цикле записи данные принимаются чипом вместе с адресом колонки. Для управления чипом используется несколько управляющих линий. RAS (Row Address Strobe) сигналы которыми передается адрес ряда и также активируется весь чип. CAS (Column Address Strobe) сигналы которыми передается адрес колонки. WE (Write Enable) указывающий, что произведенный доступ - это доступ записи. OE (Output Enable) открывает буфера используемые для передачи данных с чипа памяти на "хост" (процессор).

DRAM (Dynamic Random Access Memory) — один из видов компьютерной памяти с произвольным доступом (RAM), наиболее широко используемый в качестве ОЗУ современных компьютеров.

Конструктивно память DRAM состоит из «ячеек» размером в 1 или 4 бит, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных. Совокупность «ячеек» такой памяти образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор «ячеек» условно делится на несколько областей.

SDRAM (Synchronous DRAM) – синхронное управление выборкой из памяти.

В отличие от других типов DRAM, использовавших асинхронный обмен данными, ответ на поступивший в устройство управляющий сигнал возвращается не сразу, а лишь при получении следующего тактового сигнала. Тактовые сигналы позволяют организовать работу SDRAM в виде конечного автомата, исполняющего входящие команды. При этом входящие команды могут поступать в виде непрерывного потока, не дожидаясь, пока будет завершено выполнение предыдущих инструкций (конвейерная обработка): сразу после команды записи может поступить следующая команда, не ожидая, когда данные окажутся записаны. Поступление команды чтения приведёт к тому, что на выходе данные появятся спустя некоторое количество тактов — это время называется задержкой (latency) и является одной из важных характеристик данного типа устройств.

Циклы обновления выполняются сразу для целой строки, в отличие от предыдущих типов DRAM, обновлявших данные по внутреннему счётчику, используя способ обновления по команде CAS перед RAS.

DDR SDRAM (от англ. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных) При использовании DDR SDRAM достигается удвоенная скорость работы, нежели в обыкновенной SDRAM, за счёт считывания команд и данных не только по фронту, как в SDRAM, но и по срезу тактового сигнала. За счёт этого удваивается скорость передачи данных, не увеличивая при этом частоты тактового сигнала шины памяти. Таким образом, при работе DDR на частоте 100 МГц мы получим эффективную частоту 200МГц (при сравнении с аналогом SDR SDRAM).

Ширина шины памяти составляет 64 бита, то есть по шине за один такт одновременно передаётся 8 байт. В результате получаем следующую формулу для расчёта максимальной скорости передачи для заданного типа памяти: тактовая частота шины памяти x 2 (передача данных дважды за такт) x 8 (число байтов передающихся за один такт). Например, чтобы обеспечить передачу данных дважды за такт, используется специальная архитектура «2n Prefetch». Внутренняя шина данных имеет ширину в два раза больше внешней. При передаче данных сначала передаётся первая половина шины данных по переднему фронту тактового сигнала, а затем вторая половина шины данных по срезу.

Помимо удвоенной передачи данных, DDR SDRAM имеет несколько других принципиальных отличий от простой памяти SDRAM. В основном они являются технологическими. Например, был добавлен сигнал QDS, который располагается на печатной плате вместе с линиями данных. По нему происходит синхронизация при передаче данных. Если используется два модуля памяти, то данные от них приходят к контроллеру памяти с небольшой разницей из-за разного расстояния. Возникает проблема в выборе синхросигнала для их считывания. Использование QDS успешно это решает.

Как и DDR SDRAM, DDR2 SDRAM использует передачу данных по обоим срезам тактового сигнала, за счёт чего при такой же частоте шины памяти, как и в обычной SDRAM, можно фактически удвоить скорость передачи данных (например, при работе DDR2 на частоте 100 МГц эквивалентная эффективная частота для SDRAM получается 200 МГц). Основное отличие DDR2 от DDR - вдвое большая частота работы шины, по которой данные передаются в буфер микросхемы памяти. При этом, чтобы обеспечить необходимый поток данных, передача на шину осуществляется из четырёх мест одновременно. Итоговые задержки оказываются выше, чем для DDR.

DDR и DDR2 различия показаны на рисунке

Рис. 2.6. Модули памяти

DDR3 SDRAM (англ. double-data-rate three synchronous dynamic random access memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, тип 3) — это тип оперативной памяти используемой в компьютерах, разработанный как последователь DDR2 SDRAM.

DDR3 обещает сокращение потребления энергии на 40% по сравнению с модулями DDR2, благодаря применению 90-нм (в дальнейшем 65-нм и 50-нм) технологии производства, что позволяет снизить эксплуатационные токи и напряжения (1,5 В, по сравнению с 1,8 В для DDR2 и 2,5 В для DDR). "Dual-gate" транзисторы будут использоваться для сокращения утечки тока.

Изображение: Вверху - модуль DDR3 SDRAM, внизу - модуль DDR2 SDRAM

Кэш (англ. cache[1]) — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из медленной памяти или их перевычисление, что делает среднее время доступа короче.

История

Впервые слово «кэш» в компьютерном контексте было использовано в 1967 году во время подготовки статьи для публикации в журнале «IBM Systems Journal». Статья касалась усовершенствования памяти в разрабатываемой модели 85 из серии IBM System/360. Редактор журнала Лайл Джонсон попросил придумать более описательный термин, нежели «высокоскоростной буфер», но из-за отсутствия идей сам предложил слово «кэш». Статья была опубликована в начале 1968 года, авторы были премированы IBM, их работа получила распространение и впоследствии была улучшена, а слово «кэш» вскоре стало использоваться в компьютерной литературе как общепринятый термин.[2]

Функционирование

Диаграмма кэша памяти ЦПУ

Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами и веб-серверами.

Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.

Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдено записей, содержащих затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становятся доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.

Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных.

Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.

При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.

В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.

В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.

Конвейер и блок предсказания команд Конвейер – очередь команд, которая позволяет выбирать и выполнять следующие инструкции вместе с текущей. Конвейер характеризуется своей глубиной или количеством ступеней конвейера. Каждая ступень конвейера выполняет одну микрооперацию.

Запись в кэш При выполнении операции записи ситуация коренным образом меняется. В общем случае это подразумевает выполнение над блоком последовательности операций чтение-модификация-запись: чтение оригинала блока, модификацию его части и запись нового значения блока. Более того, модификация блока не может начинаться до тех пор, пока проверяется тег, чтобы убедиться в том, что обращение является попаданием. Поскольку проверка тегов не может выполняться параллельно с другой работой, то операции записи отнимают больше времени, чем операции чтения.

Кэш центрального процессора Ряд моделей центральных процессоров (ЦП) обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленее, чем регистры. Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.


Изучение комплектации рабочей станции