Тема 9: Организация и принцип работы памяти

Запоминающее устройство (ЗУ) – комплекс технических средств, реализующих функцию памяти.

Назначение ЗУ:

• ЗУ необходимы для размещения на них команд и данных;

• Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации.

Персональные компьютеры имеют три иерархических уровня памяти:

1. Основная память;

2. Сверхоперативное запоминающее устройство (КЭШ-память);

3. Внешние запоминающие устройства.

Основные характеристики ЗУ:

• емкость памяти, измеряемая в битах либо в байтах;

• методы доступа к данным;

• быстродействие (время обращения к устройству);

• надежность работы, характеризуемая зависимостью от окружающей среды и колебаний напряжения питания;

• стоимость единицы памяти.

Две важнейших характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) указанных типов памяти приведены в табл. 9.1.

Такая важная характеристика основной памяти и кэш-памяти, как быстродействие измеряется временем обращения (t_обр) к ним, а быстродействие внешних запоминающих устройств двумя параметрами: временем доступа (t_дост) и скоростью считывания (V_счит):

t_обр – сумма времени поиска, считывания и записи информации (в литературе это время часто называют временем доступа, что не совсем строго);

t_дост – время поиска информации на носителе;

V_счит – скорость считывания смежных байтов информации подряд (трансфер). Напомним общепринятые сокращения: с - секунда, мс - миллисекунда, мкс - микросекунда, нс - наносекунда; 1 с=10^бмс=10⁶мкс=10⁹нс.

Основная память

ОЗУ	ПЗУ
Назначение: предназначено для записи, чтения и хранения информации. Информация, записанная в оперативную память, после обработки процессором заменяется другими данными.	Назначение: содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, например стандартные программы и константы. Эта информация заносится в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ. Основными операциями, которые может выполнять ПЗУ, являются чтение и хранение.

Замечание: Функциональные возможности ОЗУ шире, чем у ПЗУ, но ПЗУ сохраняет информацию при выключении питания (т.е. является энергонезависимой памятью) и может иметь более высокое быстродействие, так как ограниченность функциональных возможностей ПЗУ и его специализации на чтении и хранении позволяют уменьшить время считывания информации.

Оперативная память

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM – Random Access Memory) предназначено для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения и хранения.

Структура оперативной памяти:

Основная составная часть микросхемы представляет собой массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицу накопителя.

Каждый элемент памяти может хранить 1 бит информации и имеет свой адрес. ЗУ, позволяющее обращаться по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называются запоминающими устройствами с произвольным доступом.

Упрощенная структурная схема модуля оперативной памяти при матричной его организации представлена на рисунке 9.1.

Рис. 9.1: Структурная схема модуля основной памяти

Оперативная память связана с остальным микропроцессорным комплексом ЭВМ через системную шину.

По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.

По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее.

По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти. Поскольку данные передаются машинными словами, а один ЭП может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из п матриц ЭП, где п – количество разрядов в машинном слове. Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали если количество линий обозначить через т, то емкость памяти (т.е. количество элементов памяти имеющих уникальные адреса) определяется как 2^т. Так, в IBM PC XT шина адреса системной шины содержит 20 линий. Поэтому максимальный объем основной памяти в этих машинах равен 2²⁰ = 1 Мбайт. В IBM PC AT (с микропроцессором i80286) системная шина содержит 24 линии, поэтому объем основной памяти может быть увеличен до 16 Мбайт. Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный объем основной памяти увеличился до 2³² = 4 Гбайта.

Принцип работы оперативной памяти:

При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП, т.е. адрес делится на две части (две координаты) – X (номер строки) и Y (номер столбца). На пересечении этих координат находится элемент памяти, чью информацию нужно прочитать или изменить.

При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации ЭП, т.е. адрес ячейки, поступающий в регистр адреса по кодовым шинам адреса, делится на две части (две координаты), поступающие соответственно в Рег. адреса X и Рег. адреса Y. Из этих регистров коды полуадресов поступают в дешифраторы Дешифратор X и Дешифратор Y, которые расшифровывают координаты – X (номер строки) и Y (номер столбца). Каждый из дешифраторов в соответствии с полученным адресом (Х или Y) выбирает одну из 1024 шин. По выбранным шинам подаются сигналы записи/считывания в ячейку памяти, находящуюся на пересечении этих шин.

После того как ячейка найдена, устройство управления микропроцессора посылает по кодовой шине инструкций сигнал считывания в оперативную память. Данные из ячейки считываются, предварительно записываются в регистр данных оперативной памяти и уже из нее пересылаются по шине данных в микропроцессор.

Разрядность шины данных (8, 16, 32 или 64 бита) определяет длину информационной единицы, которой можно обменяться с ОЗУ за одно обращение.

Техническая организация и особенности оперативной памяти:

В современных ЭВМ микросхемы памяти (ОЗУ, ПЗУ и кэш) изготавливают из кремния по полупроводниковой технологии с высокой степенью интеграции элементов на кристалле (микросхемы памяти относятся к так называемым «регулярным» схемам, что позволяет сделать установку элементов памяти в кристалле (чипе) настолько плотной, что размеры элементов памяти становятся сопоставимыми с размерами отдельных атомов).

Микросхемы оперативной памяти строятся на динамических элементах памяти, в качестве которых выступают триггеры, сформированные внутри кремниевого кристалла. Динамические ЭП с течением времени записанную в них информацию теряют, поэтому они нуждаются в периодическом восстановлении записанной в них информации – в регенерации.

Характеристики оперативной памяти:

Основные характеристиками ОЗУ: объем и быстродействие.

На производительность ЭВМ влияют не только время доступа, но и такие параметры (связанные с ОЗУ), как тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали. Если тактовая частота недостаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения. При тактовой частоте, превышающей возможности ОЗУ, в ожидании будет находиться системная магистраль, через которую поступил запрос в ОЗУ.

Интегральной характеристикой производительности ОЗУ с учетом частоты и разрядности является пропускная способность, которая измеряется в мегабайтах в секунду. Для оперативной памяти со временем доступа 60 – 70 нс и разрядностью шины данных 64 бита максимальная (теоретическая) пропускная способность при тактовой частоте системной шины 50 МГц составляет 400 Мбайт/с, при частоте 60 МГц – 480 Мбайт/с, при 66 МГц – 528 Мбайт/с в режиме группового обмена, реализуемом, например, при прямом доступе к памяти.

Для группового обмена характерно (и это является еще одной характеристикой ОЗУ), что при каждом обращении к памяти для считывания первого слова необходимо больше времени, чем для последующих. Так, при использовании стандартной динамической памяти FPM (Fust Page Mode) DRAM на 60 – 70 нс каждое обращение к памяти в групповом режиме описывается формулой 7-3-3-3, т.е. для обработки первого слова необходимо 7 тактов (в течение 6 из которых системная шина простаивает в ожидании), а для обработки следующих трех слов – по 3 такта, по 2 из которых системная шина простаивает. Память типа EDO (Extended Data Output) DRAM позволяет уменьшить количество циклов ожидания (х-2-2-2, где х - количество тактов, необходимое для обработки первого слова). Память типа BEDO (Burst EDO) DRAM обеспечивает обмен по формуле х-1-1-1 для первого обращения и 1-1-1-1 – для последующих. Приведенные формулы характерны для тактовых частот до 60 МГц. Синхронная динамическая память (SDRAM – Synchronous DRAM) способна обмениваться блоками данных на рабочей тактовой частоте (внешняя частота процессора) без циклов ожидания: при времени доступа 10 нс – до 100 МГц, 12 нс – до 83 МГц и 15 нс – до 66 МГц.

Размещение информации в оперативной памяти

Адресуемой единицей информации основной памяти IBM PC является байт. Это означает, что каждый байт, записанный в оперативной памяти, имеет уникальный номер (адрес).

Запись в оперативную (и чтение из нее) может осуществляться не только байтами, но и машинными словами. При этом машинное слово при размещении в памяти занимает несколько смежных байтов. Каждый байт оперативной памяти имеет свой адрес. Но машинное слово характеризуется не всеми адресами занятых байтов, а только одним – адресом младшего байта машинного слова.

Рис. 9.2: Запись машинного слова в оперативную память

При записи в оперативную память единиц информации, имеющих в своем составе больше одного байта, адресом информационной единицы является адрес самого младшего байта, запись в оперативную память ведется побайтно, начиная с самого младшего байта, каждый последующий байт располагается в ячейке, адрес которой на 1 больше предыдущего.