Typy pamětí. Hierarchické uspořádání paměťového

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)