Организация основной памяти
Основная память (ОП) представляет собой единственный вид памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно (исключение составляют лишь регистры центрального процессора). Информация, хранящаяся на внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память.
Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным доступом. Такие ЗУ образованы как массив ячеек, а «произвольный доступ» означает, что обращение к любой ячейке занимает одно и то же время и может производиться в произвольной последовательности. Каждая ячейка содержит фиксированное число запоминающих элементов и имеет уникальный адрес, позволяющий различать ячейки при обращении к ним для выполнения операций записи и считывания.
В полупроводниковых ЗУ применяются запоминающие элементы на основе: биполярных транзисторов; приборов со структурой «металл-окисел-полупроводник» (МОП-транзисторов); приборов со структурой «металл-нитрид-окисел-полупроводник» (МНОП); приборов с зарядовой связью (ПЗС); МОП-транзисторов с изолированным затвором и др.
Основная память может включать в себя два типа устройств: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).
Преимущественную долю основной памяти образует ОЗУ, называемое оперативным, потому что оно допускает как запись, так и считывание информации, причем обе операции выполняются однотипно, практически с одной и той же скоростью, и производятся с помощью электрических сигналов. В англоязычной литературе ОЗУ соответствует аббревиатура RAM — Random Access Memory, то есть «память с произвольным доступом», что не совсем корректно, поскольку памятью с произвольным доступом являются также ПЗУ и регистры процессора. Для большинства типов полупроводниковых ОЗУ характерна энергозависимость — даже при кратковременном прерывании питания хранимая информация теряется. Микросхема ОЗУ должна быть постоянно подключена к источнику питания и поэтому может использоваться только как временная память.
Вторую группу полупроводниковых ЗУ основной памяти образуют энергонезависимые микросхемы ПЗУ (ROM — Read-Only Memory). ПЗУ обеспечивает считывание информации, но не допускает ее изменения (в ряде случаев информация в ПЗУ может быть изменена, но этот процесс сильно отличается от считывания и требует значительно большего времени).
Блочная организация основной памяти
Емкость основной памяти современных ВМ слишком велика, чтобы ее можно было реализовать на базе единственной интегральной микросхемы (ИМС). Необходимость объединения нескольких ИМС ЗУ возникает также, когда разрядность ячеек в микросхеме ЗУ меньше разрядности слов ВМ.
Увеличение разрядности ЗУ реализуется за счет объединения адресных входов объединяемых ИМС ЗУ. Информационные входы и выходы микросхем являются входами и выходами модуля ЗУ увеличенной разрядности (рис. 1). 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.
Рис. 1. Увеличение разрядности памяти
Для получения требуемой емкости ЗУ нужно определенным образом объединить несколько банков памяти меньшей емкости. В общем случае основная память ВМ практически всегда имеет блочную структуру, то есть содержит несколько банков.
При использовании блочной памяти, состоящей из В банков, адрес ячейки А преобразуется в пару (b, w), где b — номер банка, w — адрес ячейки внутри банка. Известны три схемы распределения разрядов адреса А между b и w.
· блочная (номер банка b определяет старшие разряды адреса);
· циклическая (b = A mod В; w = A div В);
· блочно-циклическая (комбинация двух предыдущих схем).
Рассмотрение основных структур блочной ОП будем проводить на примере памяти емкостью 512 слов (29), построенной из четырех банков по 128 слов в каждом. Типовая структура памяти, организованная в соответствии с блочной структурой, показана на рис. 2.
Рис. 2. Структура основной памяти на основе блочной схемы
Адресное пространство памяти разбито на группы последовательных адресов, и каждая такая группа обеспечивается отдельным банком памяти. Для обращения к ОП используется 9-разрядный адрес, семь младших разрядов которого (А6 - А0) поступают параллельно на все банки памяти и выбирают в каждом из них одну ячейку. Два старших разряда адреса (А8 - А7) содержат номер банка. Выбор банка обеспечивается либо с помощью дешифратора номера банка памяти, либо путем мультиплексирования информации (на рис. 2 показаны оба варианта). В функциональном отношении такая ОП может рассматриваться как единое ЗУ, емкость которого равна суммарной емкости составляющих, а быстродействие — быстродействию отдельного банка.
Расслоение памяти
Помимо податливости к наращиванию емкости, блочное построение памяти обладает еще одним достоинством — позволяет сократить время доступа к информации. Это возможно благодаря потенциальному параллелизму, присущему блочной организации. Большей скорости доступа можно достичь за счет одновременного доступа ко многим банкам памяти. Одна из используемых для этого методик называется расслоением памяти. В ее основе лежит так называемое чередование адресов (address interleaving), заключающееся в изменении системы распределения адресов между банками памяти.
Прием чередования адресов базируется на ранее рассмотренном свойстве локальности по обращению, согласно которому последовательный доступ в память обычно производится к ячейкам, имеющим смежные адреса. Иными словами, если в данный момент выполняется обращение к ячейке с адресом 5, то следующее обращение, вероятнее всего, будет к ячейке с адресом 6, затем 7 и т. д. Чередование адресов обеспечивается за счет циклического разбиения адреса. В нашем примере (рис. 3) для выбора банка используются два младших разряда адреса (А1 - А0), а для выбора ячейки в банке — 7 старших разрядов (А8 - А2).
Рис. 3. Блочная память с чередованием адресов по циклической схеме
Поскольку 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, и дальнейшие операции по доступу к ячейке в каждом банке протекают независимо. При большом количестве банков среднее время доступа к ОП сокращается почти в В раз (В — количество банков), но при условии, что ячейки, к которым производится последовательное обращение, относятся к разным банкам. Если же запросы к одному и тому же банку следуют друг за другом, каждый следующий запрос должен ожидать завершения обслуживания предыдущего. Такая ситуация называется конфликтом по доступу. При частом возникновении конфликтов по доступу метод становится неэффективным.
В блочно-циклической схеме расслоения памяти каждый банк состоит из нескольких модулей, адресуемых по круговой схеме. Адреса между банками распределены по блочной схеме. Таким образом, адрес ячейки разбивается на три части. Старшие биты определяют номер банка, следующая группа разрядов адреса указывает на ячейку в модуле, а младшие биты адреса выбирают модуль в банке. Схему иллюстрирует рис. 4.
Рис. 4. Блочно-циклическая схема расслоения памяти
Традиционные способы расслоения памяти хорошо работают в рамках одной задачи, для которой характерно свойство локальности. В многопроцессорных системах с общей памятью, где запросы на доступ к памяти достаточно независимы, не исключен иной подход, который можно рассматривать как развитие идеи расслоения памяти. Для этого в систему включают несколько контроллеров памяти, что позволяет отдельным банкам работать совершенно автономно. Эффективность данного приема зависит от частоты независимых обращений к разным банкам. Лучшего результата можно ожидать при большом числе банков, что уменьшает вероятность последовательных обращений к одному и тому же банку памяти.