Статическая память основана на триггерах

Узкое место оперативной памяти - быстродействие

3.68M

Category:

informatics

Основные части вычислительной системы

1. Лекция 3

Основные части
вычислительной системы
Общая шина
Передача данных,
управляющих
сигналов
Управление,
обработка
информации
Хранение
информации
Монитор,
клавиатура, мышь

2. Основные части вычислительной системы

Память
Реле
Транзисторы
Ферритовые
сердечники
Перфокарты
Магнитные диски
Дискеты
Лазерные диски
Флеш-память
…
память
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
0
1
Одна ячейка
памяти – 1 бит

3. Память

Перфокарты и перфоленты
Карточка с программой на Фортране (Fortran): Z (1) = Y + W (1)
Аппарат для чтения перфокарт.
http://nnm.uz/interesting/other/6622-interesnye-fakty-o-kompyutere-2.html
Перфолента
Аппарат для
написания кода
на перфокарте.

4. Перфокарты и перфоленты

Магнитные барабаны и ленты
Запись данных
на магнитную
ленту
http://zanyatno.blogspot.com/2008/04/blog-post.html
http://sokalskiy.0fees.net/?p=386
Магнитная
установка памяти
компьютера
UNIVAC

5. Магнитные барабаны и ленты

Типы памяти
Постоянное
запоминающее
устройство
ПЗУ
ППЗУ
Оперативное
запоминающее
устройство

6. Типы памяти

Постоянное запоминающее
устройство
ПЗУ
(ROM Read Only Memory)
Энергонезависимая
Информация неизменна
Изготавливается фабричным
методом
Используется в приборах для
записи программ управления
техническими устройствами
(телевизором, сотовым
телефоном)

7. Постоянное запоминающее устройство

Перепрограммируемое ПЗУ
PROM (Programmable ROM)
программируемое пользователем
EPROM (erasable programmable readonly memory), перепрограммируемое
Микросхема ПЗУ AMD AM2716
Стирание ультрафиолетом
выпущенная в 1979 году
Циклов перезаписи не слишком много
EEPROM (Electrically Erasable
Programmable Read-Only Memory)
Микросхема EPROM Intel
1702 с ультрафиолетовым
стиранием.

8. Перепрограммируемое ПЗУ

Оперативное запоминающее
устройство
ОЗУ
(RAM Random Access Memory)
Основной тип памяти для хранения
выполняемых программ и обрабатываемых
данных
Гарвардская
архитектура:
данные и программы хранятся отдельно

9. Оперативное запоминающее устройство

Оперативная Память
Статическая
SRAM (Static
Random Access
Memory)
Динамическая
DRAM (Dynamic
Random Access
Memory)

10. Оперативная Память

Динамическая память
Читаемые
данные
Адресная шина:
выбор ячейки
один транзистор и
один конденсатор
Заряд сохраняется
несколько десятков
миллисекунд
При записи заряд
стирается
Регенерация
Полученные на усилителе сигнала
данные тут же записываются обратно
Замедляет работу памяти в целом

11. Динамическая память

состоит
– собственно,
матрица ячеек
памяти;
– устройство
управления;
– устройство
считывания;
– устройство
записи;
– дешифратор
столбцов;
– дешифратор
строк;

12. Динамическая память состоит

Динамическая память

13. Динамическая память

Поскольку адрес строки является
старшей частью адреса, то для
последовательных адресов памяти
адрес строки одинаков (исключение
составляет переход через границу
строки).
http://www.ord.com.ru/files/book3/p231.ht
ml

14.

Типы памяти
PM DRAM (Page Mode DRAM) использовалась до
середины 90-х годов.
1995 год: FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM)
быстрая страничная память. Поддержка сохраненных
адресов: если новое считываемое из памяти слово
находится в той же строке, что и предыдущее, то
выборка данных осуществляется из буфера данных.
Запись данных в память осуществляется так же, как
и в PM DRAM. Следующий тип памяти, заменивший
FPM DRAM, появился через год (в 1996 году) и
назывался EDO-DRAM.

15. Типы памяти

1996 год: EDO-DRAM (Extended Data Out DRAM) –
динамическая память с усовершенствованным
выходом. Адрес следующего считываемого слова
передается до завершения считывания данных (до
передачи данных процессору). Регистры – защелки.
При повышении частоты – нестабильная работа
SDRAM (Synchronous DRAM) – синхронная
динамическая память с произвольным доступом.
Память работает синхронно с контроллером памяти,
что гарантирует завершение цикла чтения/записи
строк в заданное время. Увеличено количество
матриц (одна регенерирует, другая работает)

16. Типы памяти

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) –
синхронная динамическая память с произвольным
доступом и удвоенной частотой передачи данных:
обмен данными по внешней шине идет не только по
фронту тактового импульса, но и по спаду.
Увеличена разрядность внутренней шины данных (от
ячеек матриц памяти до буферов ввода-вывода)
То есть за 1 такт считывается столько данных,
сколько может передаваться по внешней шине за
два такта. Ширина внешней шины данных - 64 бита,
внутренней – 128 бит.
Увеличена сложность. Тайминги

17. Типы памяти

DDR2 SDRAM: ширина внутренней шины данных еще
увеличена в два раза и превосходит внешнюю шину
данных в четыре раза.
2005 год: DDR3 SDRAM .Повторное увеличение
вдвое ширины внутренней шины данных памяти
(снижение внутренней тактовой частоты памяти в
два раза). Новый технологический процесс, в начале
– до 90 нм, затем – до 65 нм, 50 нм, 40 нм.
2012-2015 гг: DDR4 продолжит тенденции DDR
памяти. Увеличение ширины внутренней шины,
улучшение технологии производства до 32-36 нм,
увеличение тактовых частот внешней и внутренней
шины, снижение напряжения.

18. Типы памяти

Статическая память основана
на триггерах
R
1
Q
1
S
Q
Каждый триггер построен
минимум на 4х, 6-ти или (как
правило) на 8-ми (!)
транзисторах

19. Статическая память основана на триггерах

Статическая память
Сколько транзисторов потребуется для
статической памяти емкостью 32 Кбайта?
2000 000 транзисторов
Высокая
скорость
работы
Высокая стоимость
(на порядок больше)
Низкая плотность
хранения информации

20. Статическая память

Ячейка статической памяти
Совместная разработка
ячейки статической
памяти с произвольным
доступом (Static Random
Access Memory, SRAM)
Toshiba, IBM и AMD.
Площадь ячейки 0,128
кв.мкм

21. Ячейка статической памяти

Мат
рица
стат
ичес
кой
памя
ти

22. Матрица статической памяти

Узкое место оперативной
памяти - быстродействие
80-90 гг.: тактовая частота
микропроцессора ~ 10 MHz; время
доступа оперативной памяти ~200 ns
Наше время: 1000 - 2000 MHz CPU и 20
ns DRAM
~3000 MHz CPU и 8 ns DRAM

23. Узкое место оперативной памяти - быстродействие

Использование SRAM
дорого
Оперативная память – это
буфер между жестким
диском и процессором
Нужен еще один буфер!

24. Узкое место оперативной памяти - быстродействие

Уровни памяти

25. Уровни памяти

Кеш - память
Сверхоперативная
память
Невидима и прозрачна
для программиста
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

26.

Механизм работы кеш-памяти
Кеш-попадания
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

27. Механизм работы кеш-памяти

Кеш-промах
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

28. Механизм работы кеш-памяти

Архитектура Look Aside
Затраты энергии
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

29. Архитектура Look Aside

Архитектура Look Through
Кеш-промах
Экономия энергии
Потеря времени
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

30. Архитектура Look Through

Выводы о кеш - памяти
(видео,
звук, графика, архивы)
Увеличить быстродействие КЭШ и его объем
недостаточно - нужно реформировать всю иерархию
памяти ПК

31.

Задачи кеш - памяти
обеспечение быстрого доступа к
интенсивно используемым данным;
упреждающая загрузка данных;
отложенная запись данных.
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

32.

Задачи кеш - контроллера
а) накопление нужных данных
б) своевременное удаление
неиспользуемых данных.
Кеш заполняется
Стратегии
кеширования:
помещать копию
запрошенных данных
в кеш? – обращение
было - помещаем
Стратегии замещения:
Частотный анализ (сложно)
LRU - Least Recently Used
FIFO - First Input First Output

33.

Задачи кеш - контроллера
Согласование интерфейсов процессора
и контроллера памяти:
• процессор оперирует байтами или
словами.
• обмен с физической оперативной
памятью - четыре 64-разрядных ячейки.

34.

Задачи кеш - контроллера
Упреждающая загрузка данных.
По требованию (on demand), обращение к ОП по кэшпромаху.
+ в кэш попадают действительно нужные данные,
- при первом обращении к ячейке процессору ждать приблизительно 20 тактов системной шины
Стратегия спекулятивной (speculative) загрузки – до
обращения:
Следующая ячейка
По анализу предыдущих обращений (исследование кешпромахов)