Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Пусть с — время доступа к кэш-памяти, гл — время доступа к основной памяти и Ь вЂ” коэффициент кэш-попаданий (Ыг гас)о), который показывает соотношение числа обращений к кэш памяти и общего числа всех обращений к памяти. В нашем примере й = (в — 1)/й. Некоторые авторы выделяют коэффициент кэш-промахов (ппэз гаг1о), равный 1 — Ь. Таким образом, мы можем вычислить среднее время доступа: Среднее время доступа = с + (1 — Ь) т.
Если й -+ 1, то есть все обращения делаются только к кэш-памяти, то время доступа стремится к с. С другой стороны, если и -+ О, то есть каждый раз нужно обращаться к основной памяти, то время доступа стремится к с + пк сначала требуется время с для проверки кэш-памяти (в данном случае безуспешной), а затем — время гл для обращения к основной памяти. В некоторых системах обращение к основной памяти может начинаться параллельно с исследованием кэш-памяти, чтобы в случае кэш-промаха цикл обращения к основной памяти уже начался. Однако эта стратегия требует способности останавливать процесс обращения к основной памяти в случае кэш-попадания, что усложняет разработку подобного компьютера.
Основная память и кэш-память делятся на блоки фиксированного размера с учетом принципа локальности. Блоки внутри кэш-памяти обычно называют строками каша (сасЬе 1шез). При кэш-промахе из основной памяти в кэш-па- 98 Глава 2. Организация компьютерных систем мять загружается вся строка, а не только необходимое слово. Например, если строка состоит из 64 байт, обращение к адресу 260 влечет за собой загрузку в кэш-память всей строки (байты с 256 по 319) на случай, если через некоторое время понадобятся другие слова из этой строки. Такой путь обращения к памяти более эффективен, чем вызов каждого слова по отдельности, потому что одно кратный вызов я слов происходит гораздо быстрее, чем вызов одного слова в раз.
Кэш-память очень важна для высокопроизводительных процессоров. Однако здесь возникает ряд вопросов. Первый вопрос — объем кэш-памяти. Чем больше объем, тем лучше работает память, но тем дороже она стоит. Второй вопрос— размер строки каша. Кэш-память объемом 16 Кбайт можно разделить на 1024 строки по 16 байт, 2048 строк по 8 байт и т. д. Третий вопрос — механизм организации кэш-памяти, то есть то, как она определяет, какие именно слова находятся в ней в данный момент. Устройство кэш-памяти мы рассмотрим подробно в главе 4. Четвертый вопрос — должны ли команды и данные находиться вместе в общей кэш-памяти.
Проще всего разработать объединенную кэш-память (пп1йед сасЬе), в которой будут храниться и данные и команды. В этом случае вызов команд и данных автоматически уравновешивается. Однако в настоящее время существует тенденция к использованию разделенной кэш-памяти (зр!й сасЬе), когда команды хранятся в одной кэш-памяти, а данные — в другой. Такая архитектура также называется гарвардской (Нагчагд агсЬйесгпге), поскольку идея использования отдельной памяти для команд и отдельной памяти для данных впервые воплотилась в компьютере Маге П1, который был создан Говардом Айкеном (Нотчагд А)йеп) в Гарварде. Современные разработчики пошли по зто му пути, поскольку сейчас широко распространены конвейерные архитектуры, а при конвейерной организации должна быть возможность одновременного доступа и к командам, и к данным (операндам).
Разделенная кэш-память позволяет осуществлять параллельный доступ, а общая — нет. К тому же, поскольку команды обычно не меняются во время выполнения программы, содержание каша команд не приходится записывать обратно в основную память.
Наконец, пятый вопрос — количество блоков кэш-памяти. В настоящее время очень часто кэш-память первого уровня располагается прямо на микросхеме процессора, кэш-память второго уровня — не на самой микросхеме, но в корпусе процессора, а кэш-память третьего уровня — еще дальше от процессора.
Сборка модулей памяти и их типы Со времен появления полупроводниковой памяти и до начала 90-х годов все микросхемы памяти производились, продавались и устанавливались в виде отдельных микросхем. Эти микросхемы вмещали от 1 Кбит до 1 Мбит информации и выше. В первых персональных компьютерах часто оставлялись пустые разъемы, чтобы покупатель в случае необходимости мог вставить дополнительные микросхемы памяти. В настоящее время распространен другой подход.
Группа микросхем (обычно 8 или 16) монтируется на одну крошечную печатную плату и продается как один блок. Он называется 81ММ (81п81е 1п1ше Мешогу Мос1п1е — модуль памяти Вспомогательная память 99 с односторонним расположением выводов) или Хз1ММ (Г)па1 1п1ше Мепюгу Мот1п1е — модуль памяти с двухсторонним расположением выводов). На платах 51ММ устанавливается один краевой разъем с 72 контактами; при этом скорость передачи данных за один тактовый цикл составляет 32 бит. Модули 1)1ММ, как правило, снабжаются двумя краевыми разъемами (по одному на каждой стороне платы) с 84 контактами; таким образом, общее количество контактов достигает 168, а скорость передачи данных возрастает до 64 бит за цикл.
Схема модуля ЯММ изображена на рис. 2.14. Микросхема памяти емкостью 32 Мбайт Разъем Рис. 2.14. Модуль Б!ММ объемом 2ББ Мбайт. Модулем управляют дее микросхемы Обычно модули 81ММ и П1ММ содержат 8 микросхем по 256 Мбит (32 Мбайт) каждая. Таким образом, весь модуль вмещает 256 Мбайт информации, Во многих компьютерах предусматривается возможность установки четырех модулей; следовательно, при использовании модулей по 256 Мбайт общий объем памяти достигает 1 Гбайт. В портативных компьютерах обычно используется модуль Г)1ММ меньшего размера, который называется ВО-ШММ (Бша11 Оп111пе 1)1ММ). Модули ЯММ и Р1ММ могут содержать бит четности или код исправления ошибок, однако, поскольку вероятность возникновения ошибок в модуле составляет примерно одну ошибку за 10 лет, в большинстве обычных компьютеров схемы обнаружения и исправления ошибок не применяются.
Вспомогательная ламять Каков бы ни был объем основной памяти, ее все равно будет мало. Такова уж наша природа, мы всегда хотим сохранить в памяти компьютера больше данных, чем она может вместить. С развитием технологий людям приходят в голову такие вещи, которые раньше считались совершенно фантастическими. Например, можно вообразить, что Библиотека Конгресса решила представить в цифровой форме и продать полный текст со всеми иллюстрациями всех хранящихся в ней изданий (кВсе человеческие знания всего за 99 долларовь). В среднем каждая книга содержит 1 Мбайт текста и 1 Мбайт упакованных иллюстраций.
Таким образом, для размещения 50 млн книг понадобится 10" байт или 100 Тбайт памяти. Для хранения всех существующих художественных фильмов (50 000) необходимо примерно столько же места. Такой объем информации в настоящее время невозможно разместить в основной памяти и вряд ли удастся это сделать в будущем (по крайней мере, в ближайшие несколько десятилетий).
100 Глава 2. Организация компьютерных систем Иерархическая структура памяти Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения больших объемов данных (рис. 2.15). На самом верху иерархии находятся регистры процессора. Доступ к регистрам осуществляется быстрее всего. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до нескольких мегабайтов. Затем следует основная память, которая в настоящее время может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Затем идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивов. Рио.
2.16. Пятиуровневая организация памяти По мере продвижения сверху вниз по иерархии меняются три параметра. Во-первых, увеличивается время доступа. Доступ к регистрам занимает несколько наносекунд, доступ к кэш-памяти — немного больше, доступ к основной памяти — несколько десятков наносекунд. Дальше идет большой разрыв: доступ к дискам занимает по крайней мере 10 мкс, а время доступа к магнитным лентам и оптическим дискам вообще может измеряться в секундах (поскольку эти накопители информации еще нужно поместить в соответствующее устройство).
Во-вторых, растет объем памяти. Регистры могут содержать в лучшем случае 128 байт, кэш-память — несколько мегабайтов, основная память — десятки тысяч мегабайтов, магнитные диски — от нескольких единиц до нескольких десятков гигабайтов. Магнитные ленты и оптические диски хранятся автономно от компьютера, поэтому их совокупный объем ограничивается только финансовыми возможностями владельца. В третьих, увеличивается количество битов, которое вы получаете за 1 доллар. Стоимость объема основной памяти составляет несколько долларов за мегабайт', 1 Заметим, что удельная стоимость памяти постоянно снижается, в то время как ее объем — растет. Закон Мура применим н здесь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
