Постоянные запоминающие устройства

Управление кэш

Структура кеш данных

Кэш разделен на 128 секций по 2 строки в каждой. Таким образом, в КЭШе имеется два раздела, ёмкость по 4 Кбайта каждый. Один раздел объединяет все нулевые строки секции, второй – все первые.

Каждой строке поставлено в соответствия поле тэга и два вида состояния. Тэги и биты логически связаны в два массива таким образом, что в одном массиве имеется один элемент для каждой строки из нулевого раздела, в другом - для каждой строки из первого раздела. Поле тэга – это 25 старших разрядов адреса блока данных, хранящегося в соответствующей строке.

В контроллере кэш для обновления содержимого используется алгоритм LRU. Поэтому с каждой секцией связан один вид LRU.

Для поддержания информационной целостности используется метод обратной записи. Данные в ОП обновляются только тогда, когда строка, изменённая процессором, удаляется из кэш. Имеется возможность динамической перенастройки на использование метода сквозной записи.

Если процессор используется в мультипроцессорной системе, информационную целостность обеспечивает специальный протокол MESI. В соответствии с этим протоколом в КЭШе на каждый тэг имеется два бита, которые несут информацию о текущем состоянии каждой строки.

M- modified (измена) - Данная строка была изменена процессором, при чём изменения не отражены в оперативной памяти. Строка достоверная только в пределах кэш.

E – exclusive (эксклюзивная) – Строка содержит те же данные, что и соответствующий блок ОП, при чём данные присутствуют в этом кэш и отсутствуют во всех остальных.

S – shared (разделяемая) – Строка содержит те же данные, что и соответствующий блок ОП, при чём данные присутствуют и в этом кэш, и во всех остальных.

I – invalid (недостоверная) – Строка содержит недостоверные (не обновленные) данные.

Внутренний кэш процессора управляется двумя битами одного из управляющих регистров:

CD (cache disable – блокировка кэш)

NW (not write-throogh – запрет сквозной записи)

В системе команд Pentium II предусмотрено две специальные команды управления работы кэш:

INVD – принудительно обновляет содержимое внутреннего КЭШа и формирует сигнал обновления внешнего кеш.

WBINVD – принудительно обновляет внутренний кэш и запускает процедуру обратной записи, а затем обновление внешнего кэш.

24042012 Лекция 12

Основным свойством ПЗУ является свойство хранить информацию при отсутствии питающего напряжения. Микросхемы ПЗУ построены по принципу матричной структуры накопителя, где в узлах расположены перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов, которые одним концов подключены к адресной линии, другим – к разрядной линии считывания. В такой матрице наличие перемычки может означать единицу, отсутствие – нуль. В некоторых типах ПЗУ элемент, расположенный на перемычке, может исполнять роль конденсатора. Заряженное состояние конденсатора – единица, разряженное – нуль.

Основной режим работы ПЗУ – считывание. Считывание мало отличается от аналогичной операции в ОЗУ и по организации, и по длительности. Запись в ПЗУ по сравнению с чтением обычно сложнее и связано с большими затратами времени и энергии. Занесение информации в ПЗУ называют программированием или прошивкой.

Изначально ПЗУ выполнялись на базе магнитных сердечников, а данные в них заносились путём прошивки соответствующих сердечников проводниками считывания. Современные ПЗУ реализуются в виде полупроводниковых микросхем, их делят на три группы:

1. Программируемые при изготовлении. Данную группу образуют так называемые «масочные» устройства и чаще всего именно к ним относится термин ПЗУ. Занесение информации составляет часть производственного процесса и заключается в подключении или не подключении запоминающего элемента к разрядной линии считывания. В зависимости от этого из запоминающего элемента будет извлекаться либо единица, либо нуль. В роли перемычки выступает транзистор, расположенный на пересечении адресной и разрядной линии. Какие именно запоминающие элементы должны быть подключены к выходной линии, определяет маска: она закрывает определенные участки кристалла.

В начальный период масочные ПЗУ были достаточно дорогие, сейчас это один из видов самых дешевых ПЗУ. Высокая плотность упаковки запоминающих элементов на кристалле и высокая скорость считывания информации. Основная сфера применения – это устройства, требующие длительного хранения фиксированной информации. Например, подобное ПЗУ используют для хранения шрифтов в лазерных принтерах.

2. Однократно программируемые после изготовления. Считается создание масок для ПЗУ оправдано при производстве большого количества копий. А если требуется относительное небольшое число микросхем с определённой информацией, альтернативой является однократно программируемая ПЗУ (PROM – Programmable ROM). В интегральную микросхему такого типа информация может быть записана только один раз. Первыми представителями были микросхемы на базе плавких предохранителей. В исходной микросхеме во всех узлах адресные линии соединены с разрядными. Занесение информации производится электрическим способом - путём пережигания отдельных перемычек - и выполняется после изготовления микросхем.

Особенности:

1.Требуется специально оборудование

2.Очень высокий процесс брака

3.Необходимо обеспечить специальную термическую тренировку после программирования. Без этой тренировки надежность хранения данных невысока.

К этому же классу относятся микросхемы OTP EPROM, в основе которых лежит кристалл EEPROM – Electrically Programmable ROM, который помещены в непрозрачный пластиковый корпус без специального кварцевого окна.

3. Многократно программируемые после изготовления. Представители: EPROM – Erasable Programmable ROM; EEPROM; Флэш.

Процедура программирования ПЗУ такого типа обычно предполагает два этапа. Сначала производится всех или части ячеек, а затем происходит запись новой информации.

EPROM – запись информации производится электрическими сигналами так же как в PROM, однако перед операцией записи содержимое всех ячеек должно быть приведено к одинаковому состоянию (стёрто) путём воздействия на микросхемы ультрафиолетового излучения. Делается это через специальное кварцевое окно. Процесс стирания может выполняться многократно. Каждое стирание занимается порядка 20 минут. Данные хранятся в виде зарядов плавающих затворов МОП-транзисторов, которые играют роль конденсатора (очень малая утечка заряда). Заряженный элемент –нуль, разряженный – единица. Программирование микросхем происходит с использованием технологии инжекции горячих электронов, цикл программирования занимает несколько сотен миллисекунд, а время считывания близко к показателям ROM, DRAM.

EEPROM – стирание и запись информации производится побайтово. При чём, стирание не отдельный этап, а этап, осуществляющийся автоматически при записи. Запись занимает существенно больше время, чем считывание. Запись несколько сотен микросекунд на байт. Программирование не требует специального программатора и осуществляет средствами самой микросхемы. Вторая группа дороже, чем первая, и плотность упаковки у них ниже. Следовательно, ёмкость меньше.

Флэш память – она очень похожа на EEPROM, но использует особую технологию построения запоминающих элементов. В основе работы запоминающей ячейки лежит физический эффект Фаули-Нордхайма, связанный с лавинной инжекцией зарядов полевых транзисторов. Как и в случае с EEEPROM, содержимое флэш памяти программируется электрическим способом, основным его преимуществом является высокая скорость доступа и быстрое стирание информации. Стирание происходит не по-байтово, а по блокам или полностью. Блоки могут быть достаточно мелкими, например, размер страницы (4 Кбайта), это позволяет выполнять автоматическое постраничное стирание. Полностью содержимое флэш-памяти может быть очищено за одну или несколько секунд, что значительно в EEPROM. Программирование байта занимает порядка 10мкс, а время доступа при чтении составляет 35-200нс. Так же как и в EEPROM используется только один транзистор на бит, благодаря чему достигнута высокая плотность размещения информации на кристалле (плотность размещения на 30% чем у DRAM модулей памяти).

Ячейка флеш-памяти представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами – управляющим и плавающим. Плавающий затвор способен удерживать электроны (заряд). В ячейке, кроме того, имеются электроды – сток и исток. При программировании между электродами за счёт воздействия положительно поля на управляющем затворе при программировании между ними (электродами) создаётся канал – поток электронов. Некоторые электроны благодаря большой энергии преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор, на нём они могут храниться в течение многих лет. Определенный диапазон количества электрона на плавающем затворе – единица, а всё, что больше него, нулю. При чтении эти состояния распознаются путём измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят на исток.

Как и в случае с EEPROM, микросхема флэш-памяти выпускаются с последовательным и параллельным доступами (NOR и NAND).

ня

Дата добавления: 2014-01-06