Вопрос 19. Основная память. Блочная организация основной памяти

В процессе выполнения программы МП обращается непосредственно только к основной памяти, т.е. основная память (ОП) представляет собой единственный вид памяти, к которой процессор может обращаться непосредственно (исключение составляют регистры процессора). Основная память – это реально существующая (физическая) память, в которой с точки зрения процессора находятся выполняемые программы и в которой должны размещаться данные, чтобы программа во время работы могла к ним обращаться. Информация, хранящаяся на внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память. Адреса, существующие в основной памяти, называются физическими адресами, а диапазон физических адресов, к которым может обращаться конкретный процессор, называется пространством физических адресов этого процессора.

Обычно адресация основной памяти производится с точностью до байта. С целью ускорения этого процесса при обращении к основной памяти запись и считывание нескольких байтов могут осуществляться за один раз. Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным доступом. Основная память может включать в себя два типа устройств: ОЗУ и ПЗУ.

Особенностью современной ОП является ее блочная организация.

Емкость основной памяти современных микропроцессорных систем 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 процессора.

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. 20). 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. 20

Для получения требуемой емкости ЗУ нужно определенным образом объединить несколько банков памяти меньшей емкости.

Таким образом, в общем случае основная память микропроцессорной системы практически всегда имеет блочную структуру, т. е. 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 адресов А по банкам памяти (разрядов адреса А между b и w):

· блочная – номер банка b определяют старшие разряды адреса А;

· 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.

Блочная структура. Типовая структура памяти, организованная в соответствии с блочной структурой, показана на рис. 21.

Рис. 21

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-А₀поступают 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. 21 показаны оба варианта). В функциональном отношении такая ОП может рассматриваться как единое ЗУ, емкость которого равна суммарной емкости составляющих, а быстродействие – быстродействию отдельного банка.

Циклическая схема. Кроме возможности наращиванию емкости, блочное построение памяти обладает еще одним достоинством – позволяет сократить время обращения 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 том, что соседние адреса оказываются в разных блоках. Например, при четырех блоках памяти адресация выполняется в соответствии со структурой, показанной на рис. 22.

Прием чередования адресов базируется на свойстве локальности по обращению, согласно которому последовательный доступ в память обычно производится к ячейкам, имеющим смежные адреса. Чередование адресов обеспечивается за счет циклического разбиения адреса. В нашем примере для выбора банка используются два младших разряда адреса А₁, А₀, а для выбора ячейки в банке – 7 старших разрядов A₈-A₂.

Процедура расслоения при обращении к последовательным соседним адресам позволяет добиться B -кратного увеличения скорости обращения за счет параллельной работы всех блоков.

Рис. 22

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 (рис. 23). 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.

Рис. 23

Блочно-циклическая схема. В блочно-циклической схеме расслоения памяти (рис. 24) каждый банк состоит из нескольких модулей, адресуемых по циклической 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.

Рис. 24

Механизм расслоения обращений может использоваться и для повышения надежности памяти. При неисправностях или повреждениях соответствующие блоки памяти исключаются из основной памяти с последующим ее перегруппированием, в результате чего работоспособность памяти сохраняется, хотя и с некоторым ухудшением ее параметров.

Дата добавления: 2014-01-13