Аппаратное обеспечение памяти

      Когда  процессор считывает данные из  оперативной памяти, ему приходится  какое-то время “ждать”, поскольку  тактовая частота оперативной  памяти значительно ниже, чем  процессора.  

      Если  процессор со встроенной в  кристалл кэш*памятью работает  на частоте 3 400 МГц (3,4 ГГц), то продолжительность  цикла процессора и интегральной  кэш-памяти в этом случае достигнет 0,29 нс, в то время как продолжительность  цикла оперативной памяти будет  в 8,5 раз больше, т.е. примерно 2,5 или 5 нс для памяти с удвоенной  скоростью передачи данных (Double Data Rate — DDR).  Таким образом, тактовая частота памяти будет всего лишь 400 МГц.

32  

32  

      Следовательно, в том случае, когда процессор  с тактовой частотой 3,4 ГГц считывает  данные из оперативной памяти, его рабочая частота уменьшается  в 8,5 раз, что и составляет 400 МГц.  

      Замедление  обусловлено периодом ожидания (wait state).  

      Если  процессор находится в состоянии  ожидания, то на протяжении всего  цикла (такта) никакие операции не  выполняются; процессор, по существу, ждет, пока необходимые данные  поступят из более медленной  оперативной памяти. 

      Поэтому  именно кэш-память позволяет сократить  количество “простоев” и повысить  быстродействие компьютера в  целом.

33  

33  

      Чтобы  минимизировать время ожидания  при считывании процессором данных  из медленной оперативной памяти, в современных ПК обычно предусмотрены  три типа кэш-памяти: кэш- память  первого уровня (L1), кэш-память второго  уровня (L2) и кэш-память третьего  уровня (L3).  

      Кэш-память  первого уровня также называется  встроенным или внутренним кэшем; он непосредственно встроен в  процессор и фактически является  частью микросхемы процессора. 

      Во  всех процессорах 486 и выше кэш-память  первого уровня интегрирована  в микросхему.  

34  

Кэш-память  второго уровня называется  вторичным  или  внешним кэшем; он устанавливается  вне микросхемы процессора.  

      Первоначально  она устанавливалась на системной  плате. (Так было во всех компьютерах  на основе процессоров 386, 486 и Pentium.)  

      Если  кэш-память второго уровня установлена  на системной плате, то она  работает на ее частоте.  

      В  этом случае кэш-память второго  уровня обычно находится рядом  с разъемом процессора.

35  

35  

      Начиная  с 1999 года кэш-память второго уровня  стала частью процессора, поскольку  была интегрирована непосредственно  в процессорное ядро наравне  с кэш-памятью первого уровня. 

      При  этом кэш-память второго уровня  работает на полной частоте  процессора, обеспечивая на порядок  большую производительность, чем  кэш-память в более старых процессорах (произведенных до 1999 года), реализованная  в виде отдельной внешней микросхемы.  

      Кэш-память  второго уровня во многих старых  процессорах работает на частоте, составляющей половину или одну  треть частоты ядра процессора.  

      Быстродействие  кэш-памяти имеет особое значение, поэтому компьютеры с кэш-памятью, представляющей собой отдельную  микросхему, установленную на системной  плате, обладали небольшой производительностью.

36  

36  

      Перенос  кэш-памяти в один корпус с  процессором улучшил положение  дел, а добавление кэш-памяти непосредственно  в ядро обеспечило оптимальные  результаты.  

      Таким  образом, любой процессор с кэш-памятью  второго уровня, интегрированной  в ядро и работающей на полной  частоте процессора, обладает значительным  преимуществом в быстродействии  по сравнению с другими схемами  использования кэш-памяти второго  уровня. 

      Кэш-память  второго уровня, встроенная в  процессор (в ядро или корпус), работает быстрее, чем при установке  на системную плату.  

      Поэтому  современные системные платы  не содержат модулей кэш-памяти.

37  

37  

      Кэш-память  третьего уровня была впервые  представлена в процессорах для  рабочих станций и серверов, таких, как Xeon и Itanium, в 2001 году.  

      Первым  процессором для настольных ПК, в котором использовался кэш  третьего уровня, был представленный  в конце 2003 года процессор Pentium 4 Extreme Edition; он  был оснащен интегрированным  кэшем третьего уровня объемом 2 Мбайт.  

      В  будущем стоит ожидать появление  кэша L3 и у более доступных  процессоров для массовых ПК, так как, чем больше уровней  кэш-памяти, тем меньше зависимость  быстродействующего ядра процессора  от относительно медленной памяти  ОЗУ. 

      В  таблице приведены параметры кэш-памяти первого и второго уровней в современных компьютерах.

38  

38

39  

39  

      Первоначально  кэш-память проектировалась как  асинхронная, т.е. не была синхронизирована  с шиной процессора и могла  работать на другой тактовой  частоте.  

      При  внедрении набора микросхем системной  логики 430FX в начале 1995 года был  разработан новый тип синхронной  кэш-памяти.  

      Она  работает синхронно с шиной  процессора, что повышает ее быстродействие  и эффективность. 

      В  то же время был добавлен  режим pipeline burst mode (конвейерный монопольный режим).  

      Он  позволил сократить время ожидания  за счет уменьшения количества  состояний ожидания после первой  передачи данных.

40  

Использование  одного из этих режимов подразумевает  наличие другого.  

Оба режима  позволяют повысить производительность  компьютера на 20%. 

Контроллер  кэш-памяти содержится в микросхеме North Bridge набора микросхем системной  логики в PC на основе Pentium и более  простых или на плате процессора. 

Возможности  контроллера кэш-памяти предопределяют  эффективность и возможности  кэш-памяти.  

41  

41  

      Важная  особенность состоит в том, что  большинство контроллеров кэш-памяти  имеют ограничение на объем  кэшируемой памяти.  

      Часто  этот предел может быть очень  низок, как в случае набора  микросхем системной логики 430TX для  компьютеров на основе Pentium.  

      Этот  набор микросхем может кэшировать  данные только первых  64 Мбайт  оперативной памяти системы.  

      Если  установлен больший объем памяти, работа компьютера значительно  замедляется, потому что все данные  вне первых 64 Мбайт никогда не  попадут в кэш и при обращении  к ним будут всегда необходимы  все состояния ожидания, определяемые  более медленной динамической  оперативной памятью.

42  

42  

      Снижение  эффективности зависит от программного  обеспечения и от адресов, по  которым хранятся данные в  памяти.  

      Например,  32-разрядные операционные системы Windows загружаются сверху вниз, так что если установлена оперативная память емкостью 96 Мбайт, то и операционная система, и прикладные программы будут загружаться в верхние 32 Мбайт, которые не кэшируются.  

      Это  значительно замедлит работу  компьютера в целом. В данном  случае можно удалить дополнительную  память, чтобы уменьшить емкость  до 64 Мбайт.  

      Другими  словами, неблагоразумно устанавливать  большую емкость памяти, чем позволяет  кэшировать набор микросхем системной  логики.

43  

43  

Типы  ОЗУ

44  

44  

Быстродействие  процессора выражается в мегагерцах (МГц), а быстродействие запоминающего  устройства и его эффективность  — в наносекундах (нс). 

Наносекунда  — это одна миллиардная доля  секунды, т.е. очень короткий промежуток  времени.  

Скорость  света в вакууме равна 299 792 км/с.  

За одну  миллиардную долю секунды световой  луч проходит расстояние, равное  всего 29,98 см, т.е. меньше длины обычной

линейки!

45  

Быстродействие  процессоров и микросхем выражается  в мегагерцах, т.е. в миллионах  циклов, выполняемых в течение  одной секунды.  

Рабочая частота  современных процессоров достигает 3000 МГц и более (3 ГГц, или 3 млрд. циклов  в секунду. 

Очень легко  запутаться, сравнивая, например, процессор  и модули памяти, быстродействие  которых выражено в разных  единицах.  

В таблице  представлена зависимость между  быстродействием, выраженным в наносекундах (нс) и в мегагерцах (МГц).

46  

46

47  

Как можно  заметить, при увеличении тактовой  частоты продолжительность цикла  уменьшается, а быстродействие, соответствующее 60 нс памяти DRAM, используемой в  обычном компьютере, мизерно по  сравнению с процессором, работающим  на частоте 400 МГц и выше.  

До недавнего  времени большинство микросхем DRAM, используемых в персональных  компьютерах, имели время доступа 60 нс, которое равнозначно тактовой  частоте 16,7 МГц!  

Поскольку  эта “медленная” память устанавливается  в системы, в которых процессор  работает на частоте 300 МГц и  выше, возникает несоответствие  между эффективностью оперативной  памяти и процессора.

48  

В 2000 году  чаще всего применялась память PC100 или PC133, которая работает на  частоте 100 или 133 МГц соответственно.  

Начиная с 2001 года, память стандартов DDR (200 и 266 МГц) и RDRAM (800 МГц) стала завоевывать  все большую популярность.  

В 2002 году  появилась память DDR с частотой 333 МГц, которая была увеличена в 2003 году до 400 МГц.  

В 2004 году  была представлена память DDR2 с  рабочей частотой 400 и 533 МГц.

49  

Поскольку  транзисторы для каждого бита  в микросхеме памяти размещены  в узлах решетки, наиболее рационально  адресовать каждый транзистор, используя  номер столбца и строки.  

Сначала выбирается  строка, затем столбец адреса  и, наконец, пересылаются данные. 

Начальная  установка строки и столбца  адреса  занимает определенное  время, обычно называемое временем  задержки или ожиданием.  

Время доступа  для памяти равно времени задержки  для выборки столбца и строки  адреса плюс продолжительность  цикла.  

50  

Если длительность  цикла памяти равна 7,5 нс (133 МГц), а длительность цикла процессора  — 1 нс (1 ГГц), то процессор должен  находиться в состоянии ожидания  приблизительно 6 циклов — до 17-го  цикла, т.е. до поступления данных.