WYKŁAD nr 4 - PAMIĘCI

Pamięci półprzewodnikowe

• Rodzaj pamięci będącej cyfrowym układem przechowującej dane w postaci binarnej

Parametry użytkowe

• Pojemność

• Przepływność

• Koszt na jeden bit

• Ziarnistość - minimalna ilość pamięci, o którą można rozszerzyć

• Czas dostępu - czas potrzebny na zapis/odczyt

• Czas cyklu - najmniejszy czas pomiędzy akacją zapisu/odczytu

• Organizacja zewnętrzna - liczba bitów w kości x liczba kości w module x liczba adresów w kości x liczba modułów

Pamięci nieulotne

• Zachowują zawartość po wyłączeniu zasilania. W pamięciach ulotnych czas zapisu informacji jest dłuższy od czasu odczytu.

• MROM, ROM (Mask Programmable Read Only Memmory) - pamięć zapisywana podczas wytworzenia

• PROM (Programmable Read Only Memmory) - jednokrotne programowanie po przez przepalenie połączeń wewnętrznych

• UV-EPROM, EPROM (erasable programmable read only memmory) - wielokrotne programowanie. Umieszczony zostaje ładunek w bramce tranzystora. Kasowanie z użyciem UV

• EEPROM (electrically erasable programmable read only memory) - zmiana struktury po przez sygnał elektryczny

Pamięci o dostępie swobodnym

• Pamięci RAM (random access memory) tracą zawartość po wyłączeniu zasilania. Czasy zapisu i odczytu są jednakowe.

• Technologie:

• pamięci statyczne (SRAM)

• szybsze niż dynamiczne

• większy koszt na jeden bit (potrzeba 6 tranzystorów oraz połączenia między nimi, bazuje na przerzutniku)

• stosowane do konstrukcji pamięci podręcznych

• pamięci dynamiczne (DRAM)

• mniejszy koszt na jeden bit (bazuje na pojemnościach pasożytniczych)

• wymagają odświeżania

• stosowane do konstrukcji pamięci głównych komputerów

• niski pobór mocy

Rodzaje pamięci o dostępie swobodnym

• Konieczność przygotowania rozwiązań współpracujących z szybkimi procesorami ze względu na szybkość pamięci DRAM

• FPM DRAM (fast page mode DRAM), EDO DRAM (extended data out DRAM)

• SDRAM (synchronous DRAM)

• VRAM (video RAM)

• DDR RAM (double data rate DRAM), DDR2

• Rambus DRAM

Fast Page Mode

• Czas dostępu ok. 60-70 ns

• Dane przesyłane jako seria 5-3-3-3

• Odczyt rozpoczyna się od wybrania strony po przez sygnał RAS i odpowiedniej kolumny po przez sygnał CAS

EDO - Extended Data Out

• Stosowane w pamięciach graficznych

• Zmniejszenie liczby cykli oczekiwania podczas operacji sekwencyjnego odczytu

• Przesyłanie danych w serii 5-2-2-2

• Rozpoczęcie wyznaczania następnego adresu w momencie, gdy dane są odczytywane

Tryb pakietowy

• Rozwinięcie pamięci EDO jest BEDO Burst Extended Data Output

• Zmiana sposobu w jaki dane są przesyłane po wyznaczeniu adresu

• Kontroler odwołuje się do pierwszej komórki, a pozostałe bity przesyłane są samoczynnie przez układ logiki

• Cykl pracy 5-1-1-1

• Skrócenie odstępu pomiędzy zboczami sygnału CAS oraz opóźnienia pomiędzy sygnałem RAS i CAS

• W czasie przysłania ostatniego bita danych wysterowywany jest kolejny adres

Synchroniczne DRAM

• Możliwość pracy zgodnie z taktem zegara systemowego

• Możliwość współpracy z magistralą systemową przy prędkości nawet 100MHz

• Zastosowanie synchronicznego przesyłania danych zgodnych z zegarem

• Możliwość pracy w trybie BURST: kontrola prędkości transferu danych oraz eliminacja cykli oczekiwania

SIMM vs DIMM

• Pamięci montowane są w tzw. modułach ze względu na konieczność rozbudowy komputerów

• Znane moduły SIMM (Singel In Line Memory Module) - oznacza sposób organizowania kości pamięci

• Szerokość danych wynosi 32 bity

• Konieczność łączenia SIMM w pary w przypadku magistrali 64 bit

• Moduł DIMM (Dual In Line Memory Module)

• Szerokość danych wynosi 64 bity

Pamięci podręczne tzw. cache

• Szybkość wykonywania programu zależy od czasu dostępu do pamięci operacyjnej.

• Możliwość budowy małych drogich, ale szybkich układów pamięci

• Wyposażenie procesora w szybką pamięć, ale i mniejszą pamięć podręczną

• Brak zgodności szybkości pracy pamięci operacyjnej z procesorem

• Lokalność odwołań do pamięci:

• Czasowa - jeśli obiekt był żądany to jest duże prawdopodobieństwo, że będzie żądany ponownie

• Przestrzenna - jeśli obiekt był żądany to będą żądane obiekty prawdopodobnie wokół niego

Rodzaje odwzorowania adresów pamięci

• Bezpośredni, 1-skojarzeniowy

• Sekwencyjno-skojarzeniowy, skojarzeniowy (n>1)

• Skojarzeniowy, w pełni skojarzeniowy, asocjacyjny

• Przy odwzorowaniu innym niż bezpośrednie wykorzystywane są algorytmy zastępowania:

• LRU (least recently used, najdawniej ostatnio używany)

• FIFO (first in first out, pierwszy wchodzi, pierwszy wychodzi)

• LFU (least frequently used, najrzadziej używany)

Poziomy pamięci cache

• Odwoływanie do kolejnych poziomów pamięci w przypadku braku danych. Przepisanie danych do niższych poziomów w celu dostępności w kolejnych wołaniach

• Podział na oddzielny blok dla danych i kodu (np. dla L1)

• L1 (level 1)

• zintegrowana z procesorem - umieszczona wewnątrz jego struktury.

• mała, ale dane dla procesora szybko dostępne

• L2 (level 2) umieszczona w jednej obudowie układu scalonego mikroprocesora lub na wspólnej płytce hybrydowej np. Pentium II.

• L3 (level 3) umieszczona w bezpośrednim sąsiedztwie procesora np. ITANIUM.

Budowa pamięci cache

• Pamięć cache składa się z linijek, w których przechowywane są informacje pobrane z RAM - najmniejsza pobrana porcja danych

Budowa adresu

• Podział adresu przez układy logiczne:

• Znacznik (20 bitów) - porównywany ze znacznikiem w katalogu cache. Okreslanie, czy dane potrzebne dla procesora są w linijce cache (określanie trafienia).

• Wiersz (7 bitów) - która pozycja (indeks) w katalogu 1 i katalogu 2 może odwzorowywać potrzebne dane.

• Słowo (3 bity) pozwala na określenie, które z ośmiu 32-bitowych słów przechowywanych w linijce zawiera dane potrzebne procesorowi.

• Bajt (2 bity) określa, który bajt w 32- bitowym słowie jest aktualnie potrzebny mikroprocesorowi.

Uzgadnianie zawartości pamięci wyższego poziomu z pamięcią podręczną

• Sposób uzgadniania zgodności danych w przypadku zajścia zmian w pamięci cache lub pamięci RAM

• Zapis jednoczesny (wirte through) - zapis wykonywany jest zarówno do pamięci jak i do cache. Proces musi monitorować zapis do pamięci RAM przez każdy inny układ.

• Zapis opóźniony (copy/wirte back) - aktualizacja wyłączenie pamięci podręcznej. Układ cache ustawia odpowiednie statusy (MESI). Aktualizacja na żądanie.

• Zapis inclusive

• Zapis exlusive

Pamięci masowe

• Pamięć zewnętrzna - dłuższy czas dostępu i większa pojemność niż RAM

• Urządzenie wejścia/wyjścia - brak instrukcji sterujących bezpośrednio przez procesor zawartością pamięci tak jak dla RAM

• Operowanie na blokach, sektorach, a nie bitach

• Stosowane technologie:

• Magnetyczne: dyskowe (dyski twarde, dyskietki), taśmy

• Optyczne: Compact Disc, Digital Video, Blueray Disc, High Definition DVD

• Magneto-optyczne

• Półprzewodnikowe pamięci flash

Dysk twardy (hard disc drive)

• Pojemność od kliku MB do kilku TB

• Wykorzystany w budowie nośnik magnetyczny

• Parametry dysku: pojemność, szybkość transmisji, czas dostępu, szybkość obrotowa, MTBF

Budowa HDD

• Wirujący zespół talerzy wykonany ze stopu aluminium pokrytych nośnikiem magnetycznym (kilku mikrometrów)

• Głowice elektromagnetyczne - odpychane aerodynamicznie podczas obrotu talerza

• Struktura w postaci cylindrów, na których ustawiana jest głowica.

• Dane znajdują się na tzw. ścieżkach.

• Ścieżka podzielona jest na sektory (przerwa, identyfikacja, synchronizacja, nr ścieżki, nr sektora, korekcja błędów, przerwa, dane, przerwa)

• Głowica ustawiana za pomocą cewki - elektromagnetycznie z szybkością nawet 1 ms

• Zapis realizowany przez antenę przesyłającą strumień elektromagnetyczny

• Czas dostępu: czas do przesunięcia głowicy, znalezienie odpowiedniej ścieżki, czas przesłania danych

Dyski optyczne

• Zapis i odczyt wykonywany za pomocą lasera

• W dyskach ROM zapis informacji po przez wykonywanie za pomocą matrycy zagłębień (pit - fragmenty tłumiące) w stosunku do powierzchni (land - fragmenty odbijające)

• Wykorzystanie zjawiska zmiany własności optycznych w wyniku naświetlenia laserem o zmiennej mocy promieniowania

• Moc lasera przy zapisie większa niż przy odczycie

• Zapis po przez: tłoczenie, wypalanie laserem barwnika, zmiana postaci nośnika (krystaliczna, amorficzna)

Technologie dysków optycznych

• Nowe technologie były uzależnione od możliwości lasera tj. długości fali

• CD - 780 nm

• DVD - 650 nm

• BD i HD DVD - 405 nm

• Stosowanie jednej spiralnej ścieżki z danymi. Wyjątek DVD-RAM, które posiadają strukturę zbliżoną do dysków twardych.

• Spiralna ścieżka zwiększa gęstość zapisu kosztem czasu dostępu

Dysk DVD

• Standard zapisu na nośniku optycznym podobnym do CD-ROM o większej gęstości zapisu

• Laser o krótszej wiązce fali niż w CD

• Zastosowano dwie warstwy zapisu oraz zapisu obustronnego

• DVD zawiera system plików UDF

Dyski magnetooptyczne

• Odczyt z dysków magnetooptycznych wykonywany za pomocą lasera. Wykorzystanie zjawiska Kerra

• Zjawisko zmiany własności optycznych nośnika w zależności od kierunku namagnesowania

• Podgrzewanie przez laser warstwy magnetycznej nośnika powyżej temp. Curie przy jednoczesnym wytwarzaniu przez głowicę pola elektromagnetycznego

• Organizacja podobna jak na dyskach twardych

Metody zapisu/odczytu informacji

• CAV (constant angular velocity) - stała prędkość kątowa

• CLV (constant linear velocity) - stała prędkość liniowa

• ZCLV (zoned CLV) - dysk podzielony na strefy ze stałymi prędkościami liniowymi

• CAA (constant angular acceleration) - rodzaj CLV. Prędkość kątowa zmienia się krokowo ze stałym przyspieszeniem/opóźnieniem.

RAID

• Nadmiarowa Macierz niezależnych dysków (Redundant Array of Independent Disks)

• Cele wykorzystania RAID:

• zwiększenie niezawodności (odporność na awarie),

• przyspieszenie transmisji danych,

• powiększenie przestrzeni dostępnej jako jedna całość

RAID 0

• Połączenie dwóch lub więcej dysków widzianych jako jeden logiczny

• Przestrzeń ma rozmiar najmniejszego z dysków

• Korzyści:

• przestrzeń wszystkich dysków jest widziana jako całość

• przyspieszenie zapisu i odczytu w porównaniu do pojedynczego dysku

• Wady:

• brak odporności na awarię dysków

• N*rozmiar najmniejszego z dysków

RAID 1

• Replikacja pracy dwóch lub więcej dysków tzw. mirroring

• Zapis i odczyt sekwencyjny bądź równoległy

• Korzyści:

• odporność na awarię N - 1 dysków przy N-dyskowej macierzy

• możliwe zwiększenie szybkości odczytu

• Wady:

• zmniejszona szybkość zapisu

• utrata pojemności (dokładnie pojemności wynosi tyle co jeden, najmniejszy dysk macierzy)

RAID 3

• Dane składowane na N-1 dyskach

• Ostatni dysk przechowuje sumy kontrolne

• Korzyści:

• odporny na awarię 1 dysku

• większa szybkość odczytu

• Wady:

• mniejsza szybkość zapisu z powodu konieczności kalkulowania sum kontrolnych (eliminowana poprzez zastosowanie sprzętowych kontrolerów RAID)

• w przypadku awarii dysku dostęp do danych jest spowolniony z powodu obliczeń sum kontrolnych

• odbudowa macierzy po wymianie dysku jest operacją kosztowną obliczeniowo i powoduje spowolnienie operacji odczytu i zapisu

• pojedynczy, dedykowany dysk na sumy kontrolne zazwyczaj jest wąskim gardłem w wydajności całej macierzy

RAID 0+1

• Macierz realizowana jako RAID 0, którego elementami są macierze RAID 1

• Potrzebne 4 dyski o tej samej pojemności

• Awaria dysku powoduje, że układ staje się macierzą RAID-0

• Korzyści:

• szybkość macierzy RAID 0

• bezpieczeństwo macierzy RAID 1

• znacznie prostsza w implementacji niż RAID 3, 5 i 6

• Wady:

• większy koszt przechowywania danych niż w przypadku RAID 0,2,3,4,5,6

RAID 1+0 (10)

• Macierz RAID 0 realizowana jako RAID 1

• Tworzenie dużego paska danych „stripe” małych mirrorów

• Korzyści:

• szybkość macierzy RAID 0

• bezpieczeństwo macierzy RAID 1 - w szczególnym wypadku nawet większa (awaria więcej niż jednego dysku różnych mirrorów)

• znacznie prostsza w implementacji niż RAID 3, 5 i 6

• Wady:

• większy koszt przechowywania danych niż w przypadku RAID 0,2,3,4,5,6