09 pamiec operacyjna

Architektura komputerów
Tydzień 9
Pamięć operacyjna
Właściwości pamięci
●
Położenie
●
Pojemność
●
Jednostka transferu
●
Sposób dostępu
●
Wydajność
●
Rodzaj fizyczny
●
Własności fizyczne
●
Organizacja
Położenie pamięci
●
●
●
Procesor. Pamięć wewnątrz procesora
lub podłączona bezpośrednio z
procesorem: rejestry i pamięć cache.
Wewnętrzna. Pamięć dołączona do
magistrali systemowej: RAM i ROM.
Zewnątrzna. Urządzenia pamięci
dostępne przez wejście-wyjście: dyski,
pamięci optyczne, taśmowe i inne.
Pojemność pamięci
●
●
Podawana w określonych jednostkach:
bitach, bajtach, słowach.
Używamy przedrostków:
–
kilo (Ki lub K) = 210 lub (k lub K) = 103
–
mega (Mi lub M) = 220 lub (M) = 106
–
giga (Gi lub G) = 230 lub (G) = 109
–
tera (Ti lub T) = 240 lub (T) = 1012
–
peta (Pi lub P) = 250 lub (P) = 1015
Jednostka transferu
●
Ilość danych transmitowana w jednym
cyklu.
–
●
słowo – naturalna dla danego układu lub
urządzenia długość, najczęściej związana z
szerokością szyny danych.
Jednostka adresowalna. W różnych
układach jednostką adresowalną może
być bit, bajt, słowo lub blok.
–
blok to jednostka o wiele większa niż słowo.
Np. w przypadku dysków to może być 512
B.
Sposób dostępu
●
Dostęp sekwencyjny.
–
●
Dostęp bezpośredni.
–
●
pamięci dyskowe
Dostęp swobodny.
–
●
pamięci taśmowe
pamięć operacyjna
Dostęp skojarzeniowy (asocjacyjny).
–
pamięć podręczna
Wydajność
●
Czas dostępu.
–
●
Czas cyklu pamięci.
–
●
czas od chwili doprowadzenia adresu do
otrzymania danych
czas dostępu + dodatkowy czas po którym
może wystąpić następny dostęp.
Szybkość przesyłania (transferu).
–
szybkość z jaką dane mogą być
odczytywane lub zapisywane. Często
szybkość zapisu jest mniejsza niż odczytu.
Hierarchia pamięci
Rejestry
Pamięć podręczna
Pamięć główna
Dyskowa pamięć podręczna
Pamięć dyskowa i optyczna
Pamięć taśmowa
Hierarchia pamięci
●
●
●
Pamięć na szczycie piramidy jest
najszybsza. Pamięć na dole
najwolniejsza.
Pamięć na szczycie jest najdroższa w
przeliczeniu na pojemność. Pamięć na
dole najtańsza.
Dlatego stosujemy różne rodzaje
pamięci by uzyskać rozsądną szybkość i
pojemność za rozsądną cenę.
Rodzaje pamięci
półprzewodnikowych
Rodzaj pamięci
Kategoria
Pamięć o dostępie
odczyt-zapis
swobodnym (RAM)
Wymazywanie
elektryczne, na
poziomie bajtu
Pamięć stała (ROM)
Programowalna
tylko odczyt
niemożliwe
pamięć stała
(EPROM)
Wymazywalna
światłem UV, na
PROM (EPROM)
poziomie układu
Pamięć
błyskawiczna
Elektrycznie
wymazywalna
PROM (EEPROM)
głównie
odczyt
elektryczne, na
poziomie bloku
elektryczne, na
poziomie bajtu
Sposób zapisu Ulotna
elektryczny
tak
maska
elektryczny
nie
Korekcja błędów
●
●
Bit parzystości – pozwala wykryć błąd
pojedynczego bitu w jednostce danych.
Kod korekcyjny (ECC) – pozwala
naprawić błąd pojedynczego bitu i
wykryć błąd jednego lub dwóch bitów.
–
najpopularniejszy kod Hamminga
bity danych
błędy
8
16
32
64
bity kontrolne 1 błąd
4
5
6
7
2
5
6
7
8
Pamięć podręczna
●
●
●
Pamięć główna jest dzielona na bloki o
ustalonej długości (np. 256 bitów).
Pamięć podręczna jest podzielona na
wiersze.
Każdy wiersz zawiera blok danych oraz
znaczniki określające adres bloku
przechowywanych danych i dodatkowe
informacje.
Algorytmy zastępowania
●
LRU – least recently used – najdawniej
używany.
–
–
–
●
●
●
Wśród znaczników jest bit określający użycie
wiersza.
Wiersz używany ma znacznik ustawiany na 1.
W momencie zapisu lub odczytu niektóre
nieużywane aktualnie wiersze mają bit użycia
ustawiany na 0.
FIFO – first in, first out.
LFU – least frequently used – najrzadziej
używany. Stosujemy liczniki użycia wierszy.
Przypadkowy.
Algorytm zapisu
●
Zapis jednoczesny (write through).
–
●
Dane zapisujemy jednocześnie do pamięci
głównej i cache.
Zapis opóźniony (write back).
–
Dane zapisujemy do pamięci cache, notując
w odpowiednim bicie znacznika, że dane
zostały zmienione.
–
Kiedy wiersz ma być zastąpiony innym
następuje faktyczny zapis danych do
pamięci głównej.
Liczba pamięci podręcznych
●
Pierwszego poziomu (L1) – wewnątrz
procesora.
–
●
Drugiego poziomu (L2) – zewnętrzna.
–
●
niewielka ilość, gdyż bardzo kosztowna
więcej, ale wolniejsza niż L1.
Czasem L2 jest również wbudowana w
procesor.
Jednolita i podzielona pamięć
podręczna
●
●
Pamięć jednolita z reguły
charakteryzuje się większą liczbą
trafień (przy tej samej pojemności).
Rozdzielona pamięć podręczna dla
danych i rozkazów pozwala na
równoległe wykonywanie faz pobierania
rozkazu i danych w potoku.
Pamięć statyczna
●
●
●
Pamięć statyczna (SRAM) wykorzystuje
przerzutniki do pamiętania danych.
Jest bardzo szybka, ale droga w
przeliczeniu na pojemność.
Dlatego jest wykorzystywana głównie
jako pamięć podręczna i wewnątrz
procesora.
Pamięć dynamiczna
●
●
●
Do przechowania bitu danych
wykorzystuje kondensator.
Zdecydowanie wolniejsza od pamięci
statycznej, ale za to znacznie tańsza.
Typowa DRAM jest asynchroniczna.
Czas zapisu i odczytu nie zależy od
zegara taktującego, a tylko od własności
fizycznych układu.
Synchroniczna pamięć DRAM
●
●
Zapis i odczyt jest synchronizowany z
zegarem magistrali.
Tryb pakietowy pozwala zwiększyć
wydajność pamięci. Po ustaleniu adresu
pierwszego słowa kilka następnych jest
przesyłanych w znacznie krótszych
jednostkach czasu (najczęściej w
kolejnych cyklach zegara), ponieważ nie
jest ustalany adres na linii adresowej.
Pamięć RDRAM
●
●
●
Znacząco zwiększona częstotliwość
magistrali.
Układ pamięci zawiera wiele
mikroukładów połączonych wewnętrzną
magistralą.
Ze względu na małą szerokość
magistrali danych (8 i 16 bitów)
faktyczna wydajność dużo mniejsza od
teoretycznej.
Pamięć DDR SDRAM
●
●
●
●
Modyfikacja klasycznej pamięci SDRAM.
W jednym cyklu zegara magistrali dwie
operacje odczytu lub zapisu danych.
Wydajność porównywalna z RDRAM.
Znacznie niższa cena niż RDRAM –
projekt nie jest obciążony kosztownymi
patentami.