- •Введение
- •7. Иерархия памяти
- •7.1. Основы
- •7.2. Организация кэш-памяти
- •7.2.1. Параметры описания кэш-памяти и ее иерархия
- •7.2.2. Увеличение производительности кэш-памяти
- •7.3. Принципы организации основной памяти в современных компьютерах
- •7.3.1. Общие положения
- •7.3.2. Увеличение разрядности основной памяти
- •7.3.3. Память с расслоением
- •7.3.4. Использование специфических свойств динамических зупв
- •7.4. Виртуальная память и организация защиты памяти
- •7.4.1. Концепция виртуальной памяти
- •7.4.2. Страничная организация памяти
- •7.4.3. Сегментация памяти
- •8. Современные микропроцессоры
- •8.1. Процессоры с архитектурой 80x86 и Pentium
- •8.2. Особенности процессоров с архитектурой sparc компании Sun Microsystems
- •8.3. Процессоры pa-risc компании Hewlett-Packard
- •8.4. Процессор mc88110 компании Motorola
- •8.5. Особенности архитектуры mips компании mips Technology
- •8.6. Особенности архитектуры Alpha компании dec
- •8.7. Особенности архитектуры power компании ibm и PowerPc компаний Motorola, Apple и ibm
- •8.7.1. Архитектура power
- •8.7.2. Эволюция архитектуры power в направлении архитектуры PowerPc
- •8.7.4. Процессор PowerPc 603
- •9. Организация ввода/вывода
- •9.1. Общие положения
- •9.2. Системные и локальные шины
- •9.2.1. Центральная шина
- •9.2.2. Стандарты шин
- •9.3. Устройства ввода/вывода
- •9.3.1. Основные типы устройств ввода/вывода
- •9.3.2. Магнитные и магнитооптические диски
- •9.3.3. Дисковые массивы и уровни raid
- •9.3.4. Устройства архивирования информации
- •10. Многопроцессорные системы
- •10.1. Классификация систем параллельной обработки данных
- •10.2. Модели связи и архитектуры памяти
- •10.3. Многопроцессорные системы с общей памятью
- •10.3.1. Мультипроцессорная когерентность кэш-памяти
- •10.3.2. Альтернативные протоколы
- •10.4. Основы реализации
- •11. Системы высокой готовности и отказоустойчивые системы
- •11.1. Основные определения
- •11.2. Подсистемы внешней памяти высокой готовности
- •11.3. Требования, предъявляемые к системам высокой готовности
- •11.3.1. Конфигурации систем высокой готовности
- •11.3.2. Требования начальной установки системы
- •11.3.3. Требования к системному программному обеспечению
- •11.3.4. Журнализация файловой системы
- •11.3.5. Изоляция неисправного процесса
- •11.3.6. Мониторы обработки транзакций
- •11.3.7. Другие функции программного обеспечения
- •11.3.8. Требования высокой готовности к прикладному программному обеспечению
- •11.3.9. Требования к сетевой организации и к коммуникациям
- •11.4. "Кластеризация" как способ обеспечения высокой готовности системы
- •11.4.1. Базовая модель vax/vms кластеров
- •11.4.2. Системное программное обеспечение vax-кластеров
- •11.4.3. Критерии оценки кластеров Gartner Group
- •11.4.4. Кластеры Alpha/osf компании dec
- •11.4.5. Unix-кластеры компании ibm
- •11.4.6. Кластеры at&t gis
- •11.4.7. Кластеры Sequent Computer Systems
- •11.4.8. Системы высокой готовности Hewlett-Packard
- •11.4.9. Кластерные решения Sun Microsystems
- •11.4.10. Отказоустойчивые решения Data General
- •Список использованных источников
7.3. Принципы организации основной памяти в современных компьютерах
7.3.1. Общие положения
Основная память представляет собой следующий уровень иерархии памяти. Основная память удовлетворяет запросы кэш-памяти и служит в качестве интерфейса ввода/вывода, поскольку является местом назначения для ввода и источником для вывода. Для оценки производительности основной памяти используются два основных параметра: задержка и полоса пропускания. Традиционно задержка основной памяти имеет отношение к кэш-памяти, а полоса пропускания или пропускная способность относится к вводу/выводу. В связи с ростом популярности кэш-памяти второго уровня и увеличением размеров блоков у такой кэш-памяти, полоса пропускания основной памяти становится важной также и для кэш-памяти.
Задержка памяти традиционно оценивается двумя параметрами: временем доступа (access time) и длительностью цикла памяти (cycle time). Время доступа представляет собой промежуток времени между выдачей запроса на чтение и моментом поступления запрошенного слова из памяти. Длительность цикла памяти определяется минимальным временем между двумя последовательными обращениями к памяти.
Основная память современных компьютеров реализуется на микросхемах статических и динамических ЗУПВ (Запоминающее Устройство с Произвольной Выборкой). Микросхемы статических ЗУВП (СЗУПВ) имеют меньшее время доступа и не требуют циклов регенерации. Микросхемы динамических ЗУПВ (ДЗУПВ) характеризуются большей емкостью и меньшей стоимостью, но требуют схем регенерации и имеют значительно большее время доступа.
В процессе развития ДЗУВП с ростом их емкости основным вопросом стоимости таких микросхем был вопрос о количестве адресных линий и стоимости соответствующего корпуса. В те годы было принято решение о необходимости мультиплексирования адресных линий, позволившее сократить наполовину количество контактов корпуса, необходимых для передачи адреса. Поэтому обращение к ДЗУВП обычно происходит в два этапа: первый этап начинается с выдачи сигнала RAS - row-access strobe (строб адреса строки), который фиксирует в микросхеме поступивший адрес строки, второй этап включает переключение адреса для указания адреса столбца и подачу сигнала CAS - column-access stobe (строб адреса столбца), который фиксирует этот адрес и разрешает работу выходных буферов микросхемы. Названия этих сигналов связаны с внутренней организацией микросхемы, которая, как правило, представляет собой прямоугольную матрицу, к элементам которой можно адресоваться с помощью указания адреса строки и адреса столбца.
Дополнительным требованием организации ДЗУВП является необходимость периодической регенерации ее состояния. При этом все биты в строке могут регенерироваться одновременно, например, путем чтения этой строки. Поэтому ко всем строкам всех микросхем ДЗУПВ основной памяти компьютера должны производиться периодические обращения в пределах определенного временного интервала порядка 8 миллисекунд.
Это требование кроме всего прочего означает, что система основной памяти компьютера оказывается иногда недоступной процессору, так как она вынуждена рассылать сигналы регенерации каждой микросхеме. Разработчики ДЗУПВ стараются поддерживать время, затрачиваемое на регенерацию, на уровне менее 5% общего времени. Обычно контроллеры памяти включают в свой состав аппаратуру для периодической регенерации ДЗУПВ.
В отличие от динамических, статические ЗУПВ не требуют регенерации и время доступа к ним совпадает с длительностью цикла. Для микросхем, использующих примерно одну и ту же технологию, емкость ДЗУВП по грубым оценкам в 4 - 8 раз превышает емкость СЗУПВ, но последние имеют в 8 - 16 раз меньшую длительность цикла и большую стоимость. По этим причинам в основной памяти практически любого компьютера, проданного после 1975 года, использовались полупроводниковые микросхемы ДЗУПВ (для построения кэш-памяти при этом применялись СЗУПВ). Естественно были и исключения, например, в оперативной памяти суперкомпьютеров компании Cray Research использовались микросхемы СЗУПВ.
Для обеспечения сбалансированности системы с ростом скорости процессоров должна линейно расти и емкость основной памяти. В последние годы емкость микросхем динамической памяти учетверялась каждые три года, увеличиваясь примерно на 60% в год. К сожалению, скорость этих схем за этот же период росла гораздо меньшими темпами (примерно на 7% в год). В то же время производительность процессоров начиная с 1987 года практически увеличивалась на 50% в год.
Очевидно, согласование производительности современных процессоров со скоростью основной памяти вычислительных систем остается на сегодняшний день одной из важнейших проблем. Приведенные в предыдущем разделе методы повышения производительности за счет увеличения размеров кэш-памяти и введения многоуровневой организации кэш-памяти могут оказаться не достаточно эффективными с точки зрения стоимости систем. Поэтому важным направлением современных разработок являются методы повышения полосы пропускания или пропускной способности памяти за счет ее организации, включая специальные методы организации ДЗУПВ.
Хотя для организации кэш-памяти в большей степени важно уменьшение задержки памяти, чем увеличение полосы пропускания. Однако при увеличении полосы пропускания памяти возможно увеличение размера блоков кэш-памяти без заметного увеличения потерь при промахах.
Основными методами увеличения полосы пропускания памяти являются: увеличение разрядности или "ширины" памяти, использование расслоения памяти, использование независимых банков памяти, обеспечение режима бесконфликтного обращения к банкам памяти, использование специальных режимов работы динамических микросхем памяти.