Typy pamětí. Hierarchické uspořádání paměťového subsystému počítače

Typy pamětí. Hierarchické uspořádání paměťového subsystému počítače. Paměti Paměť – mikroprocesor z ní čte program a data a ukládá do ní výsledky Dá se rozdělit na : •

•

Primární – paměti, se kterými mikroprocesor bezprostředně pracuje. Ukládají se sem aktuálně používané programy a data. Typickým příkladem je operační paměť. Sekundární – odkládací paměti, na které jsou ukládány programy, které aktuálně nejsou potřeba. Typickým představitelem je pevný disk

Mezi paměti používané v počítačích se řadí vnitřní paměť procesoru, registry, registrové sady, zásobníky, fronty, tabulky (plnící rúzné účely), paměti mikroprogramů v řadiči procesoru, hlavní paměti včetně vyrovnávacích pamětí.

Charakteristické parametry pamětí • • • • • • •

•

Vybavovací doba – rychlost s jakou paměť zapíše či vyhledá požadované informace. Udává se v ns. Cyklus paměti – minimální časový úsek, který musí uplynout mezi dvěma po sobě jdoucími požadavky na čtení nebo zápis Kapacita paměti – udává velikost paměti, kolik Bytů se do paměti vleze. Udává se v kB, MB, GB Přenosová rychlost – udává počet paměťových jednotek přenesených z/do paměti za sekundu Chybovost paměti – udává se v počtu chyb na 1000 hodin provozu Poruchovost – nejčastěji je udávána jako střední doba mezi poruchami (MTBF), což je průměrná doba provozu mezi dvěmi poruchami Trvalost paměti – určuje jestli se data po vypnutí napájení z paměti vymažou. Paměť může být buď volatilní (po vypnutí napájení se vymaže) nebo nevolatilní (po vypnutí napájení je obsah paměti zachován) Možnost zápisu – určuje zda je možné z paměti číst i psát (RAM) nebo zda je možné z paměti pouze číst (ROM)

Statická a dynamická paměť Statická paměť : obsahuje klopné obvody obsahující informaci a jednom bitu. Na jejich výstupu je tedy buď hodnota 0 nebo 1. Každý tento klopný obvod je ovládán logikou, která vyhodnocuje především přicházející adresní signály. (ale i jiné) Dynamická paměť : Informace o stavu jednotlivých bitů je udržována v paměti pomocí kondenzátorů, které mohou být buď vybité (logická 0) nebo nabité (logická 1). Tyto kondenzátory jsou pak umístěny ve čtvercové matici a jsou adresovány

postupně, nejprve pozice na řádku a potom pozice ve sloupci. Tím je možné snížit počet adresních vodičů na polovinu nebo naopak zvětšit velikost paměti adresované stejným počtem adresních vodičů na dvojnásobek. Jelikož je paměťová informace uložena v kondenzátorech, které se vybíjí, je potřeba tuto informaci poměrně často obnovovat (vybité kondenzátory s hodnotou logické 1 nabít a mírně nabité kondenzátory s hodnotou logické 0 vybít) – tzv. refresh

Fyzická organizace pamětí Paměti jsou umísťovány na paměťové moduly SIMM nebo DIMM

Paměti SIMM • • •

• • •

Přístupová doba 60 – 70 ns Nejčastěji 72 pinové SIMM s kapacitou 4, 8, 16, 32 nebo 64 MB Paměťová šířka – Při velkých kapacitách není možné, aby na výstupu SIMM byly zobrazeny všechny paměťové bity najednou. Proto jsou tyto paměti rozděleny na menší části, jejichž informace se přenášejí na sběrnici. Dnes je to obvykle 32 bitů, v minulosti se ještě používaly 8 nebo 16 bitové paměti. U osmibitových modulů byl přidáván 9, tzv. Paritní bit ECC – Error checking and correcting. Samoopravný kód používaný pro zjištění a opravu jednobitové (později dvoubitové) chyby v paměti. SIMM moduly byly postupně inovovány. Původní SIMMy pracující ve fast page mödu (měl poměrně krátkou dobu na výstup dat z paměti, zbytek času byl potřeba pro refresh) byly nahrazeny SIMMy v EDO režimu (extended data output – rozšíření možné doby pro výstup dat – cca 5% zrychlení aplikací)

Paměti DIMM Tyto paměti jsou vylepšením SIMM pamětí. Zkratka pochází z Dual Inline Memory module, tato paměť má dvojnásobnou paměťovou šířku, tedy 64 bitů a 168 pinů modulu. Proto je tato paměť rychlejší (je přeneseno zaráz 64 bitů informací najednou) a je možná větší kapacita paměti. Díky většímu počtu pinů modulu se ale prodloužil paměťový bank. Zpravidla obsahují ECC obvody.

Paměti typu RAM (Random Access Memory) Používají se jako operační paměti počítačů a jsou v ní ukládány data, výsledky a instrukce. Všechny tyto informace využívá CPU, které je vybírá pomocí adresy zaslané do paměti po adresové sběrnici (adress bus) a data získá pomocí sběrnice datové (data bus). Důležitým paramtrem zde je přístupová doba, což je doba, která uplyne od vydání adresy požadované informace v paměti po doručení této informace zpět do CPU. Přístupová doba současných pamětí se pohybuje kolem 60ns. Pro další zrychlení jsou používány paměti CACHE, jejichž přístupová doba se pohybuje kolem 20ns, jelikož jsou ale drahé, tak je jí v počítači řádově méně než RAM a jsou v ní data, které CPU bude pravděpodobně potřebovat v následujícím okamžiku.

Dynamické paměťové čipy pak fungují na základě ukládání elektrického náboje. Jednotlivé čipy se skládaji s kondenzátorů (ukládá náboj) a tranzistorů (vytváří nebo vybíjí náboj). V RAM čipech je pak možné tento stav e. náboje změnit. (vybít nebo nabít)

Dělení pamětí RAM Paměti DRAM Informace jsou zde ukládány jako série nábojů v kondenzátorech.Tuto hodnotu je nutné neustále obnovovat, proto se této paměti říká dynamická. Paměti FPM RAM Paměti s aplikační logikou předpokládající, že další požadavek na čtení z této paměti bude ležet hned v sousedství naposledy čtené informace Paměti EDO RAM Extended Data Out RAM. Modifikace FPM RAM, kdy se opět předpokládá, že další požadavek na čtení bude poblíž posledního požadavku. Tato paměť umožnuje pak přistupovat k této informaci od posledního místa čtení. Tím se urychlí přístup k okolním adresám. Paměti BEDO RAM Burst EDO RAM. Paměti EDO s dávkovým přístupem umožnuje aby se velké bloky dat posílaly a zpracovávaly v podobě nepřerušených „dávek“ menších jednotek. To pak pro DRAM znamená, že dávka nese podrobné informace nejen o adrese první stránky, ale také o několika dalších stránkách. Tato pamět vznikla z potřeby rychlejšího přístupu k RAM. Paměti SDRAM Synchronous Dynamic RAM – dynamická pamět ještě o 20 procent rychlejší než EDO RAM. Dokáží pracovat se sběrnicí s frekvencí až 100MHz (rychlost přístupu srovnatelná s BEDO RAM) a jsou sychnronizované se systémovými hodinami počítače. Funguje na principu diskových polí, kdy jsou jednotlivá paměťová pole prokládána tak, že když se z jednoho pole čte, tak se druhé chystá na následující přístup. Rychlejší variantou SDRAM jsou paměti DDR (SDRAM II) – Double Data Rate. Tato pamět by měla umožňovat čtení a zápis dvojnásobnou rychlostí základní desky. Rambus DRAM (RDRAM) Paměti vyvinuté firmou Rambus, dovolující přenosové rychlosti až 600MHz. Naneštěstí vyžadují speciální motherboardy (tyto základní desky ale pak nepotřebují L2 Cache). Technologie těchto pamětí je využívána při vývojí nové generace DRAM, která by měla být rychlejší než současná generace. Paměti SRAM Statická paměť s náhodným přístupem. Narozdíl od DRAM si tato paměť uchovává hodnotu bez neustálého obnovování. Data se obnovují pouze při zápisu dat.Tyto paměti jsou rychlejší než DRAM (BEDO RAM 50ns, SRAM 12ns), ale jak to bývá, tak je

tato paměť mnohem dražší než DRAM. Má také velkou složitost paměťové buňky. Tyto paměti se nejčastěji používají jako L2 Cache. •

•

•

Async SRAM – Asynchronní paměť, není synchronizovaná ze systémovými hodinami. Je velmi stará, existuje od dob i386 a dodnes se nachází v mnohých L2 Cache. Sync SRAM – Sychnronous burst RAM – synchronní dávková pamět. Tato paměť je synchronizovaná se systémovými hodinami a je tedy o něco rychlejší než Async SRAM. (přístupová doba cca 8,5ns) PB SRAM – Pipeline Burst SRAM – zřetězená dávková SRAM. Použitím dávek jsou požadavky zřetězeny, a to tak, že požadavky v dávce jsou vykonány téměř okamžitě. Sice mírně zaostává za synchronizačními frekvencemi, tak představuje zlepšení oproti Sync SRAM, neboť tato paměť byla navržena pro spolupráci se sběrnicemi na frekvenci 75 MHz a více.

Paměti FRAM Feroelektrické paměti – sjednocuje rychlé čtení a zápis do paměti jako má SRAM a má schopnost uchovat informace i bez přítomnosti napájecího napětí. Každý bit je uchováván ve dvou prvcích, kde jeden obsahuje vlastní informaci a druhý slouží jako referenční zdroj. Informace je získána z rozdílového zesilovače. Obnovování hodnoty po čtení probíhá naprosto automaticky bez další zátěže systému. Oproti EEPROM pamětem má tato paměť několik výhod – vyžaduje standartní napětí 5V oproti 18V u EEPROM, ke změně logické hodnoty je využíváno polarizační techniky narozdíl od tunelového efektu u EEPROM a doba potřebná ke zapsání informace je také mnohem kratší. Videopaměti VRAM Tato paměť se zaměřuje přímo na výkon grafiky a používá se ve spolupráci s grafickou kartou (ať již integrovanou tak samostatnou). U levnějších karet (a v minulosti) se používaly rychlejší DRAM paměti – např. FPM DRAM s přístupovými dobami od 48ns. VRAM je téměř totožná až na možnost samostatného přístupu RAM DAC čipu (Random Access & Memory Digital Analog Converter) po vlastním portu nezávisle na procesoru. Toto je označováno jako „dual ported“. Díky tomu může neustále obnovovat obraz (načítá informace o jednotlivých pixelech z VRAM) i v době kdy jsou data měněna procesorem přes druhý port. To znamená dvojnásobnou přenosovou rychlost a tedy vyšší grafický výkon. Paměti SRAM a DRAM mají pouze jeden přístupový port. Videopaměti WRAM Tato pamět je podobná VRAM, nabízí však širší přenosové pásmo (cca o 25%) a jsou v ní integrovány některé grafické funkce, které potom mohou vývojáři využít. (např. Double buffering, který je mnohem rychlejší než vyrovnávací systém VRAM, což vede k vyšším vyrovnávacím frekvencím).

Videopamět SGRAM Synchronous graphics Ram – synchronní grafická paměť. Narozdíl od předchozích dvou pamětí je tato paměť pouze jednoportová. To co z ní dělá videopaměť jsou jsou speciální grafické funkce, které umožňují operace na velkých blocích dat a efektivně využívají vyrovnávací paměti. Dvouportový přístup u WRAM a VRAM je nahrazen systémem dvojitých bank, kdy jsou otevřeny dvě paměťové stránky. Umožňují blokový zápis, který urychluje vyplňování částí obrazovky a umožňuje rychlé mazání paměti. Toto se zdá býti významným přínosem na poli 3D grafiky.

Paměti typu ROM Read Only Memory – paměti pouze pro čtení Jejich hlavním úkolem je pamatování si dat v době kdy je počítač vypnutý. Proto tyto paměti například slouží k uchování dat BIOSů. Jelikož ROM paměti jsou pomalejší než RAM a BIOS slouží vyšším vrstvám ke komunikaci s hardwarem, tak je možné BIOS načíst do rychlejší paměti RAM. Tomuto kopírování se říká stínování – shadowing. Tyto paměti se samozřejmě nacházejí take na přídavných kartách (grafická karta, síťová karta apod.) a dalších zařízeních. Je možné je poznat podle pouzder DIP 24 nebo 28 pinů s papírovou nálepkou s údaji. Paměti ROM Paměťová buňka je reprezentována elektrickým odporem nebo pojistkou. Výrobce pak některé z nich přepálí, čímž do paměti „zapíše“ požadované data. Doba pamatování dat není ohraničena. Paměti PROM Programovatelné paměti ROM. Data do nich nezapisuje výrobce ale uživatel pomocí tzv. Programátoru paměti. Toto je provedeno přepálením chromniklových nebo křemíkových propojek. Stejně jako do ROM pak není možný po naprogramování zápis. Doba pamatování není ohraničena. Paměti EPROM Erasable Programming Read Only Memory. Tato paměť patří do kategorie znovuzapisovatelných ROM pamětí. Paměťová informace je udržována pomocí kvalitně izolovaného elektrického náboje a tak si udrží svoji hodnotu i po odpojení napájení. EPROM se také programuje pomocí speciálního programátoru a maže se pomocí ultrafialového záření (které působí cca 30 minut). Po tomto vymazání je do ní možné zaspat nová data. Je velmi lehce poznatelná podle okénka, přes které do pouzdra proniká ultrafialové záření. Toto okénko z bezpečnostních důvodů bývá přelepeno. Doba pamatování je omezena na 10 – 20 let. Z pamětí ROM je to nejrozšířenější varianta. Paměti EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory. Tato paměť je mazatelná pomocí elektrických impulsů. Doba mazání je několik milisekund a počet mazání je

omezený. Doba udržení informace je 10-20 let. Její označení může mít i tvar EAROM nebo E2ROM. Paměti FLASH PROM Tato paměť je nejrychlejší z ROM pamětí, v zásadě se s ní dá pracovat jako s RAM, která se po odpojení napájení nevymaže. Snese 1000 cyklů programování a výmazů. Její hlavní předností je možnost přeprogramování přímo v PC nebo v zařízení kde je umístěna. Při výměně BIOSu u jiných pamětí ROM bylo nutné fyzicky vyměnit celý obvod ROM. U této paměti toto nutné není.

Paměti FIFO Tyto paměti se používaji v např. V mikroprocesorech nebo jsou k dispozici jako stavební členy s různou organizací. Lze je rozdělit do dvou typů – FIFO s přesouváním obsahu a FIFO bez přesouvání obsahu.

Paměť CACHE Paměti CACHE jsou v počítači velmi časté. Slouží jako datový mezisklad mezi různě rychlými komponentami. Umožňuje vzájemnou komunikaci těchto komponent bez zbytečného čekání rychlejší komponenty na pomalejší.

Hierarchie pamětí v PC •

• •

Vnitřní paměti procesoru – registry, jednotky bytů, velmi rychlé – čtení v průběhu 1 cyklu procesoru. Tyto paměti slouží pří výpočtech v procesoru k ukládání mezivýsledků a podobně. L1 Cache – velmi malá cache (řádově desítky kB), umístěna v CPU, čtení řádově jednotky cyklů procesoru L2 Cache – cache druhé úrovně, řádově větší (stovky až megabajty) a pomalejší (2 – 10x) než L1. Je umístěna mezi mikroprocesorem a operační pamětí. Všechny data která jsou načítána procesorem jsou zde uložena pro případ, že by je procesor v dohledné době opět potřeboval. (pokud je pak potřebuje, tak data nemusí být získávána z „pomalé“ operační paměti, ale mohou být načtena z L2 Cache. V případě že požadovaná data nejsou v CACHE, tak je nutné je stejně načíst z operační paměti. Poměr mezi stránkami načtenými z Cache a z operační paměti se nazývá HITRATE a pohybuje se mezi 80 a 90%. Tato cache tedy Cache může pracovat ve 3 režimech: • Write-Through – přímý zápis. Nejstrarší a nejpomalejší režim. Data jsou zapsána do paměti v okamžiku zápisu do Cache • Write-Back – Novější režim, který je využíván u Pentií a rychlejších 486. Data jsou do paměti zapsána až ve chvíli kdy jsou uvolněny z cache. • Pipelined Burst – nejnovější a nejrychlejší systém, nyní běžně používaný. Zřetězí prováděné operace tak, že když čte data z operační paměti, tak do Cache načte i informace z následujících adres (což by

• •

pravděpodobně velmi brzy bylo potřeba). Přístupová doba k datům se potom pohybuje kolem 9-15ns. Operační paměť počítače – řádově stovky MB až jednotky GB. Umístěna mimo procesor, čtení řádově stovky cyklů procesoru. Disková paměť – HDD, odkládací paměť, desítky až stovky GB. Paměť obsahuje mechanické části (čtecí hlavy) a je tedy nejpomalejší z pamětí v počítači.

Virtuální paměť Jedná se o způsob mapování paměťového prostoru z diskové paměti do operační paměti. Vytváří efektivní sdílení takto namapované diskové paměti více programy a odstraňuje tak omezeni velikosti operační paměti (disková paměť je řádově větší než operační). Jedná se tak o takovou „vyrovnávací pamětí“ pro diskovou paměť.

Slovníček Paměť ROM – Read Only Memory – paměť umožnující pouze čtení dat Paměť RAM – Random Access Memory – pamět umožnující náhodný přístup k datům, to znamená, že je umožněno jejich nesekvenční čtení nebo zápis Sběrnice – spojení mezi zařízeními, které umožňuje těmto zařízením vzájemně komunikovat Cache CPU – vyrovnávací paměti procesoru, má dvě úrovně – L1 je integrována v procesoru, má malou velikost a rychlost velmi blízkou procesoru a L2, která je v procesoru, má mnohem větší velikost ale je také pomalejší než L1. L2 slouží k vyrovnávání rychlostí procesoru a přístupu k operační paměti. FIFO – speciální druh paměti, kdy jsou data z paměti čtena ve stejném pořadí, v jakém byla do paměti zapsána. LRU – strategie uvolňování stránek virtuální paměti. Je uvolněna stránka, která byla nejdéle nepoužívaná.

Zdroje Skripta : Ličev L. - Architektura počítačů, 3. Semestr, 8 přednáška, soubor AP08_DS.pdf Wikipedia – Hierarchie počítačových pamětí (http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_hierarchy)