Architektura komputerów
Tydzień 9
Pamięć operacyjna
Właściwości pamięci

Położenie

Pojemność

Jednostka transferu

Sposób dostępu

Wydajność

Rodzaj fizyczny

Własności fizyczne

Organizacja
Położenie pamięci

Procesor. Pamięć wewnątrz procesora
lub podłączona bezpośrednio z
procesorem: rejestry i pamięć cache.

Wewnętrzna. Pamięć dołączona do
magistrali systemowej: RAM i ROM.

Zewnątrzna. Urządzenia pamięci
dostępne przez wejście-wyjście: dyski,
pamięci optyczne, taśmowe i inne.
Pojemność pamięci

Podawana w określonych jednostkach:
bitach, bajtach, słowach.

Używamy przedrostków:

kilo (Ki lub K) = 210 lub (k lub K) = 103

mega (Mi lub M) = 220 lub (M) = 106

giga (Gi lub G) = 230 lub (G) = 109

tera (Ti lub T) = 240 lub (T) = 1012

peta (Pi lub P) = 250 lub (P) = 1015
Jednostka transferu

Ilość danych transmitowana w jednym
cyklu.

słowo  naturalna dla danego układu lub
urządzenia długość, najczęściej związana z
szerokością szyny danych.

Jednostka adresowalna. W różnych
układach jednostką adresowalną może
być bit, bajt, słowo lub blok.

blok to jednostka o wiele większa niż słowo.
Np. w przypadku dysków to może być 512
B.
Sposób dostępu

Dostęp sekwencyjny.

pamięci taśmowe

Dostęp bezpośredni.

pamięci dyskowe

Dostęp swobodny.

pamięć operacyjna

Dostęp skojarzeniowy (asocjacyjny).

pamięć podręczna
Wydajność

Czas dostępu.

czas od chwili doprowadzenia adresu do
otrzymania danych

Czas cyklu pamięci.

czas dostępu + dodatkowy czas po którym
może wystąpić następny dostęp.

Szybkość przesyłania (transferu).

szybkość z jaką dane mogą być
odczytywane lub zapisywane. Często
szybkość zapisu jest mniejsza niż odczytu.
Hierarchia pamięci
Rejestry
Pamięć podręczna
Pamięć główna
Dyskowa pamięć podręczna
Pamięć dyskowa i optyczna
Pamięć taśmowa
Hierarchia pamięci

Pamięć na szczycie piramidy jest
najszybsza. Pamięć na dole
najwolniejsza.

Pamięć na szczycie jest najdroższa w
przeliczeniu na pojemność. Pamięć na
dole najtańsza.

Dlatego stosujemy różne rodzaje
pamięci by uzyskać rozsądną szybkość i
pojemność za rozsądną cenę.
Rodzaje pamięci
półprzewodnikowych
Rodzaj pamięci Kategoria Wymazywanie Sposób zapisu Ulotna
Pamięć o dostępie elektryczne, na
odczyt-zapis elektryczny tak
swobodnym (RAM) poziomie bajtu
Pamięć stała (ROM) maska
Programowalna
tylko odczyt niemożliwe
pamięć stała
(EPROM)
Wymazywalna światłem UV, na
PROM (EPROM) poziomie układu
nie
elektryczny
Pamięć elektryczne, na
głównie
błyskawiczna poziomie bloku
odczyt
Elektrycznie
elektryczne, na
wymazywalna
poziomie bajtu
PROM (EEPROM)
Korekcja błędów

Bit parzystości  pozwala wykryć błąd
pojedynczego bitu w jednostce danych.

Kod korekcyjny (ECC)  pozwala
naprawić błąd pojedynczego bitu i
wykryć błąd jednego lub dwóch bitów.

najpopularniejszy kod Hamminga
bity danych bity kontrolne 1 błąd 2
błędy
8 4 5
16 5 6
32 6 7
64 7 8
Pamięć podręczna

Pamięć główna jest dzielona na bloki o
ustalonej długości (np. 256 bitów).

Pamięć podręczna jest podzielona na
wiersze.

Każdy wiersz zawiera blok danych oraz
znaczniki określające adres bloku
przechowywanych danych i dodatkowe
informacje.
Algorytmy zastępowania

LRU  least recently used  najdawniej
używany.

Wśród znaczników jest bit określający użycie
wiersza.

Wiersz używany ma znacznik ustawiany na 1.

W momencie zapisu lub odczytu niektóre
nieużywane aktualnie wiersze mają bit użycia
ustawiany na 0.

FIFO  first in, first out.

LFU  least frequently used  najrzadziej
używany. Stosujemy liczniki użycia wierszy.

Przypadkowy.
Algorytm zapisu

Zapis jednoczesny (write through).

Dane zapisujemy jednocześnie do pamięci
głównej i cache.

Zapis opóz
niony (write back).

Dane zapisujemy do pamięci cache, notując
w odpowiednim bicie znacznika, że dane
zostały zmienione.

Kiedy wiersz ma być zastąpiony innym
następuje faktyczny zapis danych do
pamięci głównej.
Liczba pamięci podręcznych

Pierwszego poziomu (L1)  wewnątrz
procesora.

niewielka ilość, gdyż bardzo kosztowna

Drugiego poziomu (L2)  zewnętrzna.

więcej, ale wolniejsza niż L1.

Czasem L2 jest również wbudowana w
procesor.
Jednolita i podzielona pamięć
podręczna

Pamięć jednolita z reguły
charakteryzuje się większą liczbą
trafień (przy tej samej pojemności).

Rozdzielona pamięć podręczna dla
danych i rozkazów pozwala na
równoległe wykonywanie faz pobierania
rozkazu i danych w potoku.
Pamięć statyczna

Pamięć statyczna (SRAM) wykorzystuje
przerzutniki do pamiętania danych.

Jest bardzo szybka, ale droga w
przeliczeniu na pojemność.

Dlatego jest wykorzystywana głównie
jako pamięć podręczna i wewnątrz
procesora.
Pamięć dynamiczna

Do przechowania bitu danych
wykorzystuje kondensator.

Zdecydowanie wolniejsza od pamięci
statycznej, ale za to znacznie tańsza.

Typowa DRAM jest asynchroniczna.
Czas zapisu i odczytu nie zależy od
zegara taktującego, a tylko od własności
fizycznych układu.
Synchroniczna pamięć DRAM

Zapis i odczyt jest synchronizowany z
zegarem magistrali.

Tryb pakietowy pozwala zwiększyć
wydajność pamięci. Po ustaleniu adresu
pierwszego słowa kilka następnych jest
przesyłanych w znacznie krótszych
jednostkach czasu (najczęściej w
kolejnych cyklach zegara), ponieważ nie
jest ustalany adres na linii adresowej.
Pamięć RDRAM

Znacząco zwiększona częstotliwość
magistrali.

Układ pamięci zawiera wiele
mikroukładów połączonych wewnętrzną
magistralą.

Ze względu na małą szerokość
magistrali danych (8 i 16 bitów)
faktyczna wydajność dużo mniejsza od
teoretycznej.
Pamięć DDR SDRAM

Modyfikacja klasycznej pamięci SDRAM.

W jednym cyklu zegara magistrali dwie
operacje odczytu lub zapisu danych.

Wydajność porównywalna z RDRAM.

Znacznie niższa cena niż RDRAM 
projekt nie jest obciążony kosztownymi
patentami.