8. Mram (Магниторезистивные пзу)
Проводимость магниторезистивного слоя зависит от магнитного поля, в которое он помещен. Внутри запоминающего элемента MRAM сопротивление находящегося в нем магниторезистивного материала будет определяться ориентацией магнитных моментов ферромагнитных слоев. В одном из магнитных слоев домены фиксированы в одном направлении. В другом слое они в ответ на воздействие внешнего поля могут быть развернуты в противоположном направлении. В результате они могут быть либо параллельны, либо антипараллельны элементам фиксированного слоя, следовательно, сопротивление магниторезистивного материала будет либо большим, либо маленьким. Эти два состояния запоминают «1» или «0».
Вопрос 18. Характеристики, влияющие на эффективность кэш-памяти.
Кэш-память – ассоциативное ЗУ, позволяющее сгладить разрыв в производительности процессора и оперативной памяти. Выборка из кэш-памяти осуществляется по физическому адресу ОП.
Дело в том, что время чтения/записи в память велико, по сравнению с временем обработки данных в процессоре. Именно поэтому и стала использоваться кэш-память.
На
рисунке слева показана схема, в которой
присутствуют
процессор, ОП, контроллер кэш-памяти, и сама кэш-памяти
(как хранилище данных). Контроллер, в частности,
преобразует физ. адреса ОП в адреса кэш-памяти.
Эффективность кэш-памяти зависит от:
Емкости кэш-памяти;
Выбор емкости кэш-памяти - это всегда определенный компромисс. С одной стороны, кэш-память должна быть достаточно мала, чтобы ее стоимостные показатели были близки к величине, характерной для ОП. С другой - она должна быть достаточно большой, чтобы среднее время доступа в системе, состоящей из основной и кэш-памяти, определялось временем доступа к кэш-памяти. В пользу уменьшения размера кэш-памяти имеется больше мотивировок. Так, чем вместительнее кэш-память, тем больше логических схем должно участвовать в ее адресации. Как следствие, ИМС кэш-памяти повышенной емкости работают медленнее по сравнению с микросхемами меньшей емкости, даже если они выполнены по одной и той же технологии.
Реальная эффективность использования кэш-памяти зависит
от характера решаемых задач, и невозможно заранее
определить, какая ее емкость будет действительно
оптимальной. Установлено, что для большинства
задач близкой к оптимальной является кэш-память
емкостью от 1 до 512 Кбайт.
Размера строки (линейки);
Еще одним важным фактором, влияющим на эффективность использования кэшпамяти, служит размер строки. Когда в кэш-память помещается строка, вместе с требуемым словом туда попадают и соседние слова. По мере увеличения размера строки вероятность промахов сначала падает, так как в кэш, согласно принципу локальности, попадает все больше данных, которые понадобятся в ближайшее время. Однако вероятность промахов начинает расти, когда размер строки становится излишне большим. Это объясняется следующими соображениями:
Большие размеры строки уменьшают общее количество строк, которые можно загрузить в кэш-память, а малое число строк приводит к необходимости частой их смены;
По мере увеличения размера строки каждое дополнительное слово оказывается дальше от запрошенного, поэтому такое дополнительное слово менее вероятно понадобится в ближайшем будущем.
«По мере увеличения размера строки вероятность промахов
сначала падает, так как в кэш, согласно принципу
локальности, попадает все больше данных,
которые понадобятся в ближайшее время. Однако вероятность
промахов начинает расти, когда размер строки
становится излишне большим.»
Способа отображения ОП в кэш-памяти;
Сущность отображения блока основной памяти на кэш-память состоит в копировании этого блока в какую-то строку кэш-памяти, после чего все обращения к блоку в ОП должны переадресовываться на соответствующую строку кэш-памяти.
Выделяют следующие способы:
Произвольная загрузка.
Прямое размещение.
Наборно-ассоциативный способ отображения.
(Подробнее эти способы описаны в вопросе 19).
Алгоритма замещения информации в кэш-памяти;
Когда кэш-память заполнена, занесение в нее нового блока связано с замещением содержимого одной из строк. При прямом отображении каждому блоку основной памяти соответствует только одна определенная строка в кэш-памяти, и никакой иной выбор удаляемой строки здесь невозможен. При полностью и частично ассоциативных способах отображения требуется какой-либо алгоритм замещения (выбора удаляемой из кэш-памяти строки). Выделяют следующие алгоритмы:
Замещение немодифицированных данных.
Заменяется та строка в кэш-памяти, к которой было меньше всего обращений. Принцип можно воплотить на практике, связав каждую строку со счетчиком обращений, к содержимому которого после каждого обращения добавляется единица. Главным претендентом на замещение является строка, счетчик которой содержит наименьшее число.
Рандомизированный алгоритм.
Замещаемая строка выбирается случайным образом. Реализовано это может быть, например, с помощью счетчика, содержимое которого увеличивается на единицу с каждым тактовым импульсом, вне зависимости от того, имело место попадание или промах. Данный алгоритм используется крайне редко.
Замещение наименее используемого (Least Recently Used, LRU).
Замещается та строка кэш-памяти, к которой дольше всего не было обращения.
Алгоритма согласования ОП и кэш-памяти;
В процессе вычислений ЦП может не только считывать имеющуюся информацию, но и записывать новую, обновляя тем самым содержимое кэш-памяти. С другой стороны, многие устройства ввода/вывода умеют напрямую обмениваться информацией с основной памятью. В обоих вариантах возникает ситуация, когда содержимое строки кэша и соответствующего блока ОП перестает совпадать. В результате на связанное с основной памятью устройство вывода может быть выдана «устаревшая» информация, поскольку все изменения в ней, сделанные процессором, фиксируются только в кэш-памяти, а процессор будет использовать старое содержимое кэш-памяти вместо новых данных, загруженных в ОП из устройства ввода.
Для разрешения первой из рассмотренных ситуаций (когда процессор выполняет операцию записи) в системах с кэш-памятью предусмотрены следующие методы обновления основной памяти:
Метод сквозной записи (Write Through).
По методу сквозной записи прежде всего обновляется слово, хранящееся в основной памяти. Если в кэш-памяти существует копия этого слова, то она также обновляется.
Если же в кэш-памяти отсутствует нужная копия, то либо из основной памяти в кэш-память пересылается блок, содержащий обновленное слово (сквозная запись с отображением); либо этого не делается (без отображения).
Метод сквозной записи с буферизацией (Write Combining).
Информация сначала записывается в кэш-память и в специальный буфер, работающий по схеме FIFO. Запись в основную память производится уже из буфера, а процессор, не дожидаясь ее окончания, может сразу же продолжать свою работу. Конечно, соответствующая логика управления должна заботиться о том, чтобы своевременно «опустошать» заполненный буфер. При использовании буферизации процессор полностью освобождается от работы с ОП. Этот метод дает определенный выигрыш.
Метод обратной записи (Write Back).
Слово заносится только в кэш-память. Если соответствующей строки в кэш-памяти нет, то нужный блок сначала пересылается из ОП, после чего запись все равно выполняется исключительно в кэш-память. При замещении строки ее необходимо предварительно переслать в соответствующее место основной памяти. Для метода обратной записи, в отличие от алгоритма сквозной записи, характерно то, что при каждом чтении из основной памяти осуществляются две пересылки между основной и кэш-памятью.
Числа уровней кэш-памяти;
Современные технологии позволяют разместить кэш-память и ЦП на общем кристалле. Такая внутренняя кэш-память строится по технологии статического ОЗУ и является наиболее быстродействующей. Емкость ее обычно не превышает 64 Кбайт. Попытки увеличения емкости обычно приводят к снижению быстродействия, главным образом из-за усложнения схем управления и дешифрации адреса. Общую емкость кэш-памяти ВМ увеличивают за счет второй (внешней) кэш-памяти, расположенной между внутренней кэш-памятью и ОП. Такая система известна под названием двухуровневой, где внутренней кэш-памяти отводится роль первого уровня (L1), а внешней - второго уровня (L2). Емкость L2 обычно на порядок больше, чем у L1, а быстродействие и стоимость - несколько ниже. Память второго уровня также строится как статическое ОЗУ. Типичная емкость кэш-памяти второго уровня — 256 и 512 Кбайт, реже — 1 Мбайт, а реализуется она, как правило, в виде отдельной микросхемы, хотя в последнее время L2 часто размещают на одном кристалле с процессором, за счет чего сокращается длина связей и повышается быстродействие.
При доступе к памяти ЦП сначала обращается к кэш-памяти первого уровня. В случае промаха производится обращение к кэш-памяти второго уровня. Если информация отсутствует и в L2, выполняется обращение к ОП и соответствующий блок заносится сначала в L2, а затем и в L1. Благодаря такой процедуре часто запрашиваемая информация может быть быстро восстановлена из кэш-памяти второго уровня.
