6.5Организация адресных (сверхоперативных) запоминающих устройств

Простейшая структура ЗУ с адресной организацией представлена на рисунке 6.6.

Рисунок 6.6 - Структура ЗУ с адресной организацией

Запоминающая часть ЗУ организована как линейная последовательность ячеек, обращение к каждой из которых обеспечивается схемой селекции, построенной на основе дешифратора адреса DСА, демультиплесора DMS и мультиплексора MS. Выбор ячейки при выполнении операции записи осуществляется дешифратором DСА и демультиплексором DMS, а при чтении - DСА и MS.

Такого рода ЗУ с адресной организацией принято называть ЗУ типа 2D, т.е. ЗУ с двумя измерениями (координатами): первая координата при обращении - адрес А, вторая - направление обмена - чтение или запись. Основой по строения ЗУ типа 2D являются запоминающие элементы следующего вида (рисунок 6.7):

Каждый ЗЭ адресуемой ячейки выбирается сигналом выбора от DСА. Основной недостаток ЗУ типа 2D - сложная схема селекции и, следовательно, большие затраты оборудования на её реализацию. Сложность селектора пропорциональна емкости ЗУ 2^m=E (пример: m=16, 2¹⁶=64K), т.е. пропорциональна количеству выходов DСА (выходов DMS, входов MS). В силу этого недостатка ЗУ типа 2D используются лишь в тех случаях, когда количество ячеек памяти невелико, что как раз и характерно для РОН: m=3 (4, 5) обычно.

Как упростить схему селекции?

Рисунок 6.8 - Структура ЗУ типа 3D

Один из простейших способов - использование матричной (двумерной) организации запоминающей части ЗУ. В результате получаем структуру ЗУ типа 3D (трехмерную организацию), в которой ячейки ЗУ адресуются (выбираются) двумя параметрами: номером строки и номером столбца в матрице (рисунок 6.8).

Пример: m=16, E=2¹⁶=64K ячеек, E=2⁸=256.

Сложность селектора: 22^m/2 (в примере m=16, 22⁸=512),т.е. в 2⁷(128) раз меньше, чем для ЗУ типа 2D. В общем случае сложность селектора в 2^(m/2-1) раз меньше, чем в ЗУ типа 2D.

Здесь выбор ячейки (и ЗЭ) осуществляется двумя сигналами выбора, поступающими одновременно с дешифратора номера строки (DСА_ст) и дешифратора номера столбца (DСА_мл). Их совпадение выбирает адресуемый ЗЭ (рисунок 6.9).

Рисунок 6.9

В общем случае ЗУ с адресной организацией будем обозначать в виде, представленном на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10

6.6Запоминающие устройства с ассоциативной организацией

Ассоциативные ЗУ (АЗУ) относятся к ЗУ безадресного типа. В них доступ к ячейкам памяти осуществляется не по адресу, а по ассоциативному признаку. В качестве ассоциативного признака (АП) используются содержимое ячейки или её части. АЗУ состоит из трех частей: 1) запоминающей части, которая организована в виде совокупности ячеек с номерами 0, 1, …, Е-1; 2) блока ассоциативного поиска (доступа), т.е. схемы ассоциативного селектора и 3) блока замещения слов, который используется для записи информации в условиях, когда все ячейки АЗУ заняты. Схема АЗУ представлена на рисунке 6.11.

Рисунок 6.11 – Структура АЗУ

Ячейки запоминающей части состоят из двух полей: поля ассоциативного признака АП и информационного поля ИП.

Поиск информации (т.е. доступ к ячейкам ИП) осуществляется по ассоциативному признаку АП, который подается на вход АП ассоциативного селектора, и ведется путем сравнения входного признака АП со всеми АП, которые хранятся в полях АП всех ячеек запоминающей части:

АП=АП_i, i=0, 1, …Е-1. (6.3)

Выбранной считается та (или те) ячейка (и), для которой (ых) совпали ассоциативные признаки в (6.3). Если совпадений нет ни для одной ячейки, то это означает отсутствие в АЗУ той информации, обращение к которой производится по данному АП.

Таким образом, схема селекции в АЗУ организована на основе схем сравнения, а не дешифраторов, как в ЗУ с адресной организацией.

Блок управления замещением начинает работать в случае не сравнения в (6.3) и отсутствия свободных ячеек для записи. В этом случае блок назначает кандидата на удаление – указывает номер ячейки, содержимое которой следует удалить из памяти и на освободившееся место записать новую информацию, включая новый ассоциативный признак АП.

Если АЗУ используется в качестве кэш–буфера (между ЦП и ОП), то в этом случае в качестве ассоциативных признаков используются адреса ячеек (блоков) ОП, информация из которых дублируется в кэше. ’Скрытость’ кэша обеспечивается работой блока управления замещением, который реализует автоматический обмена с ОП. Наличие скрытой кэш–памяти с точки зрения программиста делает память как бы одноуровневой (виртуально одноуровневой): уровень СОП скрыт от пользователя.

Основной недостаток АЗУ – большие (колоссальные) затраты оборудования на реализацию ассоциативного селектора. В случае, если запоминающая часть устройства организована по принципу 2D, то сложность селектора определяется количеством схем сравнения: 2^k=E_АЗУ (количество которых совпадает с количеством ячеек устройства).

Сложность одной схемы сравнения m элементов сравнения (однобитных). Общая сложность селектора: N_2D=m2^k (6.4)

Пример: m=26, k=16, N_2D=26*2¹⁶

Как уменьшить сложность селектора? Использовать ЗУ типа 3D:

N_3D=m*2^k/2 (6.5)

В нашем примере: N_3D=26*2⁸, т.е. в 256 раз меньше (в общем случае в 2^k/2 раз меньше).