Регистровая кэш-память

Статическая и динамическая оперативная память

Оперативная память может составляться из микросхем динамического (Dynamic Random Access Memory — DRAM) или статического (Static Random Access Memory — SRAM) типа.

Память статического типа обладает существенно более высоким быстродейст­вием, но значительно дороже DRAM. В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров — схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии сколь угодно долго — необходимо только наличие питания. При обра­щении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкрет­ных ячеек. Ячейки SRAM имеют малое время срабатывания (единицы наносе­кунд), однако микросхемы на их основе отличаются низкой удельной емкостью (единицы Мбит на корпус) и высоким энергопотреблением. Поэтому статиче­ская память используется в основном в качестве микропроцессорной и буфер­ной (кэш-память).

В динамической памяти ячейки построены на основе полупроводниковых об­ластей с накоплением зарядов — своеобразных конденсаторов, — занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Конденсаторы расположены на пересечении вертикаль­ных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуще­ствляется подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти. При обра­щении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопро­вождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки), затем через некоторое время — адрес столбца, сопровождаемый сигналом С AS (Column Address Strobe — строб адреса столбца). Поскольку конденсаторы постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке в течение нескольких миллисекунд), во избежание потери хранимой информации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти — динамическая. На подзаряд тратит­ся и энергия, и время, и это снижает производительность системы.

Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (десятки наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

Регистровая кэш-память — высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользо­вателя, отсюда и название кэш (cache), что в переводе с английского означает «тайник».

В современных материнских платах применяется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обраще­ния, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы — быстрый до­ступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с неболь­шим опережением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП.

По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш-памяти:

□ в кэш-памяти «с обратной записью» результаты операций, прежде чем их за­писать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

□ в кэш-памяти «со сквозной записью» результаты операций одновременно, па­раллельно записываются и в кэш-память, и в ОП.

Микропроцессоры начиная от МП 80486 обладают встроенной в основное ядро МП кэш'-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня — L1), чем, в частности, и обу­словливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд: у Pentium емкость этой памяти небольшая — по 8 Кбайт, у Pentium MMX — по 16 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кбайт до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте.

Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (L3) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов (кэш на MB относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-го уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на кото­рой кэш работает, и составляет обычно 1-2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2-5 не, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени об­ращения, и от пропускной способности интерфейса и лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с.

Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность сис­темы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие, но эта зависи­мость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современных ПК рост производительности, как правило, практически прекращается по­сле 1 Мбайт кэш-памяти L2. Создается кэш-память на основе микросхем стати­ческой памяти.

В современных ПК часто применяется и кэш-память между внешними запоминаю­щими устройствами на дисках и оперативной памятью, обычно относящаяся к 3-му уровню, реже, если есть кэш L3 на системной плате, к 4-му уровню. Кэш-память для ВЗУ создается либо в поле оперативной памяти, либо непосредственно в модуле самого ВЗУ.

Дата добавления: 2014-01-06