Слайд 1Лекция
Тема: Архитектура памяти компьютеров
Слайд 2Памятью компьютера называют совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и
выдачи данных
В современных компьютерах одновременно используется несколько типов ЗУ,
отличающихся принципом действия, характеристиками и назначением
Функция – хранение данных
Основные операции памяти:
- запись - занесение данных в память;
- чтение - выборка данных из памяти.
Слайд 3Характеристики запоминающих устройств
Размещение
Внутренняя память:
-
оперативная память;
- регистровая память процессора.
Внешняя память:
- периферийные запоминающие устройства ( диски, ленты).
Слайд 4Емкость памяти – максимальное количество данных, которые могут в ней
хранится
Емкость внутренней памяти измеряется в Кбайтах, Мбайтах и
Гбайтах
Емкость внешней памяти измеряется в Мбайтах и Гбайтах
Слайд 5Модуль передачи
Для внутренней памяти – число байт данных, считываемых
или записываемых в устройство памяти
Для внешней памяти – данные
перемещаются в памяти модулями, называемыми блоками
Слайд 6
Быстродействие памяти
При чтении - это время,
затрачиваемое на поиск данных в памяти и на их считывание
Слайд 7Быстродействие памяти
–время доступа, которое определяется промежутком времени
между моментом начала операции обращения при считывании до момента, когда
становится возможным доступ к искомым данным;
-продолжительность самого физического процесса считывания.
Слайд 8В некоторых устройствах памяти считывание данных сопровождается их стиранием
В таких
случаях цикл обращения должен содержать операцию восстановления (регенерации) считанных данных
на прежнем месте в памяти
Слайд 9При записи – это время на поиск места в
памяти, предназначенного для хранения данных и на их запись
Слайд 10 –время доступа при записи;
– время подготовки, необходимое для приведения в исходное
состояние запоминающих элементов или участков поверхности носителя данных для записи;
– время занесения данных.
Слайд 11Продолжительности цикла обращения к памяти
Слайд 12Способ организации доступа к устройствам памяти
Непосредственный или произвольный доступ
- Цикл обращения не зависит от места расположения участка
памяти, к которому требуется доступ при записи или считывании данных
- Каждая адресуемая ячейка в памяти имеет уникальный, физически реализуемый механизм адресации
например, оперативная память
время доступа - десятки наносекунд
Слайд 13Способ организации доступа к устройствам памяти
прямой доступ
-
например, устройства на жестких дисках;
- благодаря непрерывному вращению
носителя данных возможность обращения к некоторому участку носителя для считывания или записи циклически повторяется;
- время доступа переменно и составляет обычно от нескольких десятков миллисекунд до долей секунды.
Слайд 14Способ организации доступа к устройствам памяти
Последовательный доступ
например,
ЗУ на магнитных лентах;
- производится последовательный просмотр участков носителя
данных, пока нужный участок носителя не займет некоторое исходное положение;
- время доступа в таких ЗУ может достигать нескольких секунд
Слайд 15Способ организации доступа к устройствам памяти
- ассоциативный доступ
например, ассоциативный кэш.
Каждая ячейка имеет собственный механизм адресации
Время
поиска постоянно и не зависит от расположения ячейки и предшествующих обращений
Слайд 16Функции обращения к памяти
RAM –random access memory - память с
произвольным обращением
- считывание;
- запись.
ROM –read only
memory - память только для считывания данных
считывание;
- запись данных в постоянную память
производится в процессе
ее изготовления или настройки
Слайд 17Физические характеристики
Энергозависимая память
В энергозависимой памяти, данные
теряются, когда компьютер выключается
- оперативная память, кэш
Энергонезависимая память
В энергонезависимой памяти записанные данные сохраняются без изменений, пока преднамеренно не будут изменены
- магнито - поверхностные блоки памяти;
- ROM
Слайд 18Стоимостная характеристика памяти обычно выражается в стоимости хранения одного бита
данных
Как правило, стоимость на бит в регистровой памяти или в
кэше значительно выше стоимости на бит дисковой памяти
Слайд 19Для современного спектра технологий характерным является:
- чем меньше время
доступа, тем больше стоимость на бит;
- чем больше емкость,
тем меньше стоимость на бит;
- чем больше емкость, тем больше время доступа.
Слайд 22Уровни иерархии памяти
Внутренняя память
- регистры, кэш и
оперативная память
Внешняя память
- магнитные диски, CD-R,
CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM
Съемные хранилища с обращением в режиме Off-Line
- накопители на магнитной ленте;
- магнитооптические диски, оптические диски, записываемые пользователем
Слайд 23Иерархическая организация памяти компьютеров
Емкость
Регистры
Кэш
Оперативная память
Магнитный диск
Магнитная лента
Оптический диск
Время
доступа
Стоимость
Слайд 24Иерархическая организация памяти компьютеров
При каждом переходе от верхнего уровня памяти
к нижнему происходит следующее:
- уменьшение
стоимости бита,
- увеличение емкости,
- увеличение времени доступа,
- уменьшение частоты обращений к памяти со стороны ЦП
Слайд 25Регистровая память
Основное назначение - согласование пропускной способности процессора и
запоминающих устройств
Она имеет высокое быстродействие, но емкость ее ограничивается
несколькими десятками регистров
Слайд 26Кэш-память
используется для промежуточного хранения читаемых процессором из ОП участков
программы и блоков данных
Емкость - несколько десятков или сотен
Кбайт
Слайд 27Пример
Процессор может обращаться к памяти двух уровней. Время доступа
к памяти первого уровня составляет T1 = 0.1 мкс., а
время доступа к памяти второго уровня составляет T2 = 1 мкс. При этом, если слово читается из памяти второго уровня, то сначала оно записывается в память первого уровня, а затем извлекается в процессор. Задана вероятность попадания запросов в память первого уровня P = 0.95.
Необходимо вычислить среднее время обращения к интегрированной подсистеме памяти.
Слайд 28Решение
Для решения задачи воспользуемся формулой:
Tср =T1 x P + (T1
+ T2) x (1 – P)
Подставим в формулу значения
параметров и вычислим среднее время выборки одного слова из подсистемы памяти:
Tср = 0.1 мкс х 0.95 + (0.1 мкс + 1 мкс)х
(1 - 0.95) = 0.15 мкс
Слайд 29Оперативная память
Оперативной памятью называют устройство, которое служит для хранения данных,
программ, промежуточных и конечных результатов обработки, непосредственно используемых при выполнении
операций в АЛУ и УУ процессора.
Слайд 30Оперативная память
реализуется на микросхемах статических и динамических запоминающих устройств с
произвольной выборкой
Микросхемы статических устройств имеют меньшее время доступа и не
требуют циклов регенерации
Микросхемы динамических устройств характеризуются большей емкостью и меньшей стоимостью, но требуют схем регенерации и имеют большее время доступа
Слайд 31Оперативная память
Дополнительным требованием организации динамической памяти является необходимость периодической регенерации
ее состояния
При этом все биты в строке могут регенерироваться
одновременно в пределах определенного временного интервала порядка 8 миллисекунд
Поэтому контроллеры памяти включают в свой состав аппаратуру для периодической регенерации микросхем динамической памяти.
Слайд 32Оперативная память
В отличие от динамических, статические элементы памяти не требуют
регенерации и время доступа к ним совпадает с длительностью цикла
Для микросхем, использующих примерно одну и ту же технологию, плотность размещения элементов динамической памяти примерно в 8 раз превышает плотность статических
Но статические элементы имеют в 16 раз меньшую длительность цикла и большую стоимость
Слайд 33Оперативная память
По этим причинам в оперативной памяти практически любого компьютера
используются полупроводниковые микросхемы динамической памяти
Для построения кэш-памяти применяются элементы статической
памяти
Слайд 35Адресная организация памяти
Запоминающий массив (ЗМ) содержит M n - разрядных
ячеек
При записи или чтении данных в ЗМ инициирующая эту операцию
команда должна указывать адрес, по которому производится запись или чтение
Слайд 36Адресная организация памяти
Структура адресной памяти:
- регистр адреса памяти РгАП
- буферный регистр памяти БРгП
- блок адресной
выборки БАВ
- блок усилителей чтения БУЧ
- блок разрядных усилителей - формирователей сигналов записи БУЗ
- блок управления памятью БУП
Слайд 37Адресная организация памяти
Цикл обращения к памяти инициируется поступлением в БУП
сигнала Операция по шине управления ШУ
Одновременно на шине адреса
ША формируется адрес ячейки запрашиваемых данных
БУП расшифровывает управляющий сигнал Операция, который указывает вид запрашиваемой операции: Чтение или Запись
Слайд 38Адресная организация памяти
При чтении блок адресной выборки БАВ дешифрирует адрес
и посылает сигнал чтения в заданную адресом ячейку ЗМ
Код записанного
в ячейке слова пересылается в блок усилителей чтения БУЧ
далее по шине данных ШД слово поступает на буферный регистр памяти БРгП процессора
Слайд 39Адресная организация памяти
При записи производится прием записываемого слова с буферного
регистра памяти БРгП через шину данных ШД
В выбранную ячейку
записывается слово из БРгП
