Усовершенствованные структуры памяти
С повышением скоростей работы микрокомпьютеров возрастает потребность в разработке новых стратегий построения памяти, позволяющих памяти не отставать по быстродействию от остальных частей системы. Некоторые из этих методов, такие как разработка более быстродействующих микросхем динамического ОЗУ или включение состояний ожидания в циклы обращения к памяти, являются общими по своей природе. Однако они не позволяют всей системе работать с максимально возможным быстродействием. Для обеспечения максимальной производительности в наиболее быстродействующих компьютерах используются другие, более сложные схему управления памятью.
Кэш-память
Один из способов повышения скорости обращения к памяти компьютера называется кэшированием (cashing). Этот метод управления памятью основан на предположении, что большинство обращений к памяти выполняется в пределах ограниченного блока адресов. Следовательно, если бы содержимое этих адресов было перемещено в специальный раздел быстродействующего динамического ОЗУ, микропроцессор мог бы обращаться к этим ячейкам без каких-либо задержек.
Обычно размер кэш-памяти невелик, чтобы стоимость системы оставалась максимально низкой. Однако, одновременно эта память является исключительно быстродействующей, даже по сравнению с устройствами динамического ОЗУ.
Операции с кэш-памятью требуют, чтобы достаточно «интеллектуальное» устройство эффективно отслеживало и управляло работой кэша. Схема контроллера кэшпамяти должна отслеживать инструкции обращения к памяти микропроцессора, чтобы определять, хранятся ли указанные данные в кэше. Если информация находится в кэш-памяти, управляющая схема может предоставить ее микропроцессору без каких-либо задержек. Эта ситуация называется попаданием (hit). Если информация отсутствует в кэше, обращение переадресуется в ОЗУ системы и объявляется промах (miss).
Первоочередная задача системы управления кэш-памятью — максимизация отношения попаданий к общему числу обращений (коэффициента попаданий — hit rate), чтобы основная масса обращений к памяти выполнялось без задержек на ожидание. Один из способов достижения этого — максимальное увеличение размера кэшпамяти (и тем самым повышение вероятности того, что требуемая информация находится в кэше). Однако, относительная стоимость, энергопотребление и физические размеры устройств статического ОЗУ препятствуют использованию упомянутого подхода. На практике размеры кэш-памяти лежат в пределах от 16 до 512 Кб.
Существуют два основных способа записи обновленной информации в кэш-память. Первый — одновременная запись данных в кэш и в основную память. Этот метод называется сквозной записью в кэш (write-thru cache). Как правило, этот метод оказывается медленным, поскольку микропроцессор вынужден дожидаться завершения обращения к медленно работающему динамическому ОЗУ. Второй метод известен под названием кэша с обратной записью (write-back cache). Этот кэш хранит данные до тех пор, пока у системы не окажется достаточно времени для записи данных в основную память.
Системы Intel Pentium имеют встроенный кэш первого уровня, который может использоваться для хранения как инструкций, так и данных. Внутренний кэш делится на четыре блока по 2 Кб, каждый из которых содержит 128 наборов 16-байтовых строк. Управление внутренним кэшем выполняется непосредственно микропроцессором. Кэш первого уровня называют также кэшем LL Однако во многих системных платах возможности кэширования микропроцессора расширяются за счет добавления внешней кэш-памяти второго уровня объемом 256/512 Кб. Подобно кэшу L1, кэш второго уровня называется также кэшем L2.
Страничная организация и чередование памяти
Существуют также другие часто используемые способы организации оперативной памяти, обеспечивающие более эффективный доступ. Как правило, обращения к памяти выполняются в двух формах: в форме загрузки инструкций (которые, в основном, являются последовательными) и в форме обращения к операндам (которые, как правило, обладают случайным характером). Схемы страничной организации и чередования памяти разработаны, чтобы можно было воспользоваться преимуществами последовательной природы загрузки инструкций из памяти.
Структуры страничной организации памяти нуждаются в специальных устройствах памяти, называемых ОЗУ страничного режима (или статическим ОЗУ с организацией по столбцам). В этих устройствах памяти данные организованы по группам строк и столбцов, называемым страницами. Когда в устройстве осуществляется обращение к строке, обращение к адресу другого столбца в этой же строке можно выполнить без предварительной загрузки строки строба адреса строки (row address strobe, RAS). В результате время обращения составляет лишь половину времени обращения к обычным устройствам динамического ОЗУ. ОЗУ быстрого страничного режима — более быстродействующая версия ОЗУ страничного режима, имеющая более высокую скорость обращения к стробу адреса столбца (column address strobe, CAS).
Сигналы строба адреса строки обоих банков перекрываются так, чтобы время, требуемое на предварительную загрузку строки строба адреса строки одного банка, использовалось для активного задействования строба адреса строки второго банка. Следовательно, никакое время не тратится на предварительную загрузку адреса ни одного из банков до тех пор, пока обращения остаются последовательными. В случае непоследовательного обращения происходит промах, и во временном цикле появляется время ожидания. Если память организована в виде двух банков, работа называется двухканальным чередованием. Часто встречается также органи зация памяти в виде четырех банков равного размера. По существу при такой организации усредненный размер области памяти с нулевым временем ожидания удваивается.
