19. Основная память: блочная, циклическая и блочно-циклическая схемы организации основной памяти.
В процессе выполнения программы МП обращается непосредственно только к основной памяти, т.е. основная память представляет собой единственный вид памяти, к которой процессор может обращаться непосредственно (исключение составляют лишь регистры процессора). Основная память – это реально существующая (физическая) память, в которой с точки зрения процессора находятся выполняемые программы и в которой должны размещаться данные, чтобы программа во время работы могла к ним обращаться. Информация, хранящаяся на внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память. Адреса, существующие в основной памяти, называются физическими адресами, а диапазон физических адресов, к которым может обращаться конкретный процессор, называется пространством физических адресов этого процессора.
Обычно адресация основной памяти производится с точностью до байта. С целью ускорения этого процесса при обращении к основной памяти запись и считывание нескольких байтов могут осуществляться за один раз.
Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным доступом. Основная память может включать в себя два типа устройств: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).
Особенностью современной ОП является ее блочная организация.
Необходимость объединения нескольких микросхем памяти возникает по двум причинам:
разрядность ячеек в микросхемах памяти, как правило, меньше разрядности шины данных МПС;
емкость основной памяти современных МПС слишком велика, чтобы ее можно было реализовать на базе единственной интегральной микросхемы памяти.
Получение требуемой разрядности ЗУ реализуется за счет объединения адресных входов объединяемых микросхем памяти. Информационные входы и выходы микросхем являются входами и выходами модуля ЗУ увеличенной разрядности (рис. 24).
Рисунок 24 – Получение требуемой разрядности ЗУ
Полученную совокупность микросхем называют модулем памяти. Модулем можно считать и единственную микросхему, если она уже имеет нужную разрядность. Один или несколько модулей образуют банк памяти.
Для получения требуемой емкости ЗУ нужно определенным образом объединить несколько банков памяти меньшей емкости. В общем случае основная память МПС практически всегда имеет блочную структуру, т. е. содержит несколько банков.
При использовании блочной памяти, состоящей из B банков, адрес ячейки A преобразуется в пару (b, w), где b – номер банка, w – адрес ячейки внутри банка.
Известны три схемы распределения адресов A по банкам памяти (распределения разрядов адреса A между b и w):
блочная – номер банка b определяют старшие разряды адреса A;
циклическая – b = A mod B (остаток от деления), w = A div B (частное от деления);
блочно-циклическая – комбинация первых двух схем.
Рассмотрение основных структур блочной ОП будем проводить на примере памяти емкостью 512 слов, построенной из четырех банков по 128 слов в каждом.
Блочная структура (схема). Адресное пространство памяти разбивается на группы последовательных адресов, и каждая такая группа обеспечивается отдельным банком памяти (рис. 25). Для обращения к ОП используется 9-разрядный адрес, семь младших разрядов которого (А6-А0) поступают параллельно на все банки памяти и выбирают в каждом из них одну ячейку. Два старших разряда адреса (A8, А7) содержат номер банка. Выбор банка обеспечивается либо с помощью дешифратора номера банка памяти, либо путем мультиплексирования информации (на рис. 25 показаны оба варианта). В функциональном отношении такая ОП может рассматриваться как единое ЗУ, емкость которого равна суммарной емкости составляющих банков, а быстродействие – быстродействию отдельного банка.
Рисунок 25 – Структура основной памяти на основе блочной схемы
Циклическая схема. Кроме возможности наращивания емкости, блочное построение памяти обладает еще одним достоинством – позволяет сократить время доступа к данным. Это возможно благодаря потенциальному параллелизму, присущему блочной организации. Большей скорости доступа можно достичь за счет одновременного доступа к нескольким банкам памяти. Одна из используемых для этого методик называется расслоением памяти. В ее основе лежит так называемое чередование адресов (address interleaving). Прием чередования адресов базируется на рассмотренном ранее свойстве локальности по обращению, согласно которому последовательный доступ в память обычно производится к ячейкам, имеющим смежные адреса. Суть процедуры чередования адресов состоит в том, что соседние адреса относятся к разным банкам. Чередование адресов обеспечивается за счет использования для распределения адресов между банками памяти циклической схемы. В нашем примере (рис. 26) для выбора банка используются два младших разряда адреса (A1, A0), а для выбора ячейки в банке – 7 старших разрядов (A8-A2).
Рисунок 26 – Структура основной памяти на основе циклической схемы
Поскольку в каждом такте на шине адреса может присутствовать адрес только одной ячейки, параллельное обращение к нескольким банкам невозможно, однако оно может быть организовано со сдвигом на один такт. Адрес ячейки запоминается в индивидуальном регистре адреса, и дальнейшие операции по доступу к ячейке в каждом банке протекают независимо (рис. 27).
Рисунок 27 – Организация обращения к основной памяти на основе циклической схемы
При большом количестве банков среднее время доступа к ОП сокращается почти в В раз (В – количество банков), но при условии, что ячейки, к которым производится последовательное обращение, относятся к разным банкам. Если же запросы к одному и тому же банку следуют друг за другом, каждый следующий запрос должен ожидать завершения обслуживания предыдущего. Такая ситуация называется конфликтом по доступу. При частом возникновении конфликтов по доступу метод становится неэффективным.
Обычно B равно 2-16, но в некоторых случаях число банков памяти может достигать 64-128.
Механизм расслоения памяти может использоваться и для повышения надежности памяти. При неисправностях или повреждениях соответствующие банки памяти исключаются из основной памяти с последующим ее перегруппированием, в результате чего работоспособность памяти сохраняется, хотя и с некоторым ухудшением ее параметров.