Физическая и логическая организация системной памяти

3. Використання запам’ятовуючих пристроїв різних типів.

3.1. Типи пам’яті, які випускаються.

Існує кілька варіантів конструкції пам'яті. От кілька прикладів.

DIP (Dual In line Package — корпус із двома рядами виводів) — класичні мікросхеми, що застосовувалися в блоках основної пам'яті XT і ранніх AT, а в даний час — у блоках кеш-пам'яті.

SIP (Single In line Package — корпус з одним рядом виводів) — мікросхема з одним рядом виводів, установлювана вертикально.

SIPP (Single In line Pinned Package — модуль з одним рядом дротових виводів) — модуль пам'яті, що вставляється в панель на зразок мікросхем DIP/SIP; застосовувався в ранніх ПК типу AT.

SIMM (Single In line Memory Module — модуль пам'яті з одним рядом контактів) — модуль пам'яті, що вставляється в роз’єм із затискачами; застосовується у всіх сучасних платах, а також у багатьох адаптерах, принтерах, звукових картах і інших пристроях. SIMM має контакти з двох сторін модуля, але усі вони з'єднані між собою, утворюючи як би один ряд контактів. Існує два види SIMM-модулів: 30-контактний і 72-контактний.

DIMM (Dual In line Memory Module — модуль пам'яті з двома рядами контактів) — модуль пам'яті, схожий на SIMM, але з роздільними контактами: всього 168—2 ряди по 84; за рахунок організації збільшується розрядність чи число банків пам'яті в модулі.

Кеш-пам'ять

Елементи комп'ютера, такі як процесор, пам'ять, системна шина і т.д., характеризуються різним темпом своєї роботи. З метою синхронізації роботи таких елементів ПК приходиться вводити цикли чекання для найбільш швидких елементів системи на час обробки даних менш швидкими. Це зменшує загальну продуктивність ПК. І це зменшення тим значніше, ніж у більшому ступені відрізняються швидкості роботи елементів і вузлів ПК.

Для мінімізації циклів чекання, оптимізації роботи елементів ПК і підвищення загальної продуктивності комп'ютера часто використовується спеціальна буферна пам'ять, у якості якої використовується швидкодіюча оперативна пам'ять — надоперативна пам'ять. Звичайно це не динамічна пам'ять, а статична. Така буферна пам'ять називається кеш-пам'яттю.

Тут варто нагадати, що звичайна оперативна пам'ять — ОЗП представлена, як правило, мікросхемами пам'яті динамічного типу — DRAM. Ці мікросхеми вимагають циклів періодичного відновлення (регенерації) інформації, інакше збережені дані будуть загублені через частку секунди. Статична пам'ять циклів регенерації не вимагає. Цей тип пам'яті є більш швидкодіючим, чим динамічна пам'ять. І він дорожче. Крім того, елементи статичної пам'яті менш ємні, тобто буде потрібно більше корпусів мікросхем.

Використання кеш-пам'яті значно скорочує обмін даними між процесором і звичайною ОЗП. З огляду на більш високу швидкість доступу до кеш-пам'яті, що досягається спеціальними технічними засобами процесора і ПК, використання цього типу пам'яті значно збільшує загальну продуктивність комп'ютера.

Кеш-пам'ять буває різних рівнів. Як правило, виділяють три рівні цієї пам'яті. У супровідній документації до комп'ютера й у науково-технічній літературі по обчислювальній техніці рівні кеш-пам'яті часто позначають як LI, L2, L3.

Перший рівень (LI) — кеш-пам'ять, розташована на напівпровідниковому кристалі самого процесора, тобто в його корпусі; звичайно розміром 8 і 16 Кбайт. Для сучасних процесорів — 32 і навіть 64 Кбайт.

З огляду на близькість цього типу швидкодіючої буферної пам'яті до процесора і застосування спеціальних засобів і методів доступу до даних, збережених у кеш-пам'яті, використання цього типу пам'яті значно збільшує продуктивність як самого процесора, так і всього комп'ютера в цілому.

Архітектури сучасних процесорів орієнтованіна застосування кеш-пам'яті L1. При цьому спеціальне відключення кеш-пам'яті L1 у системному SETUP ПК супроводжується дуже сильним зменшенням продуктивності комп'ютера, іноді в кілька разів. Так, наприклад, при відключенні внутрішньої кеш-пам'яті для процесора Intel 486DX2-66 засобами CMOS SETUP, Award Modular BIOS v4.50 (CPU Internal Cache — Disabled) програма Sysinfo показує зменшення швидкодії більш ніж у 10 разів. Одна з причин такої трохи дивної можливості у CMOS SETUP — забезпечення працездатності деяких програм, написаних для істотно більш повільних процесорів — i8088, i8086, i80286 і т.д.

Другий рівень (L2) — це кеш-пам'ять, розташована на материнській платі, звичайно, коли конструкція цієї плати передбачає таку можливість. Ця кеш-пам'ять знаходиться між процесором і ОЗП. Дана пам'ять служить для тимчасового збереження часто використовуваних даних і команд, знімаючи в багатьох випадках необхідність звертання до оперативної пам'яті для читання і запису інформації. Як правило, це трохи спеціальних ІС. Пам'ять цього типу звичайно буває наступних розмірів: 64, 128,256,512 Кбайт.

Мікросхеми кеш-пам'яті рівня L2 розрізняються швидкістю роботи, звичайно кілька десятків наносекунд. Наприклад, маються мікросхеми на 20 нс, 15 нс, 10 нс і т.д. Швидкодія елементів для кеш-пам'яті повинна відповідати вимогам, що задаються апаратно-програмним забезпеченням кожного комп'ютера. Використання даного виду кеш-пам'яті (L2) звичайно збільшує загальну продуктивність комп'ютера на 10-20%. У деяких рекламних документах затверджується, що збільшення продуктивності ПК завдяки використанню кеш-пам'яті — до 30-40%. Це залежить від операційних систем, задач і розмірів кеш-пам'яті рівня L2. Чим більше розмір кеш-пам'яті, тим вище продуктивність. При цьому ріст загальної продуктивності ПК — нелінійний. Це означає поступове зменшення швидкості росту загальної продуктивності ПК із ростом розміру кеш-пам'яті. Для існуючих архітектурних рішень ПК ріст продуктивності ПК практично припиняється після 1 Мбайт кеш-пам'яті рівня L2. В даний час розмір кеш-пам'яті в 1 Мбайт можна розглядати як максимальний економічно виправданий розмір зовнішньої кеш-пам'яті (L2) для сучасних ПК. Частіше використовується 256 чи 512 Кбайт. Оптимальним розміром для сучасних материнських плат є 512 Кбайт кеш-пам'яті.

Третій рівень (L3) — це кеш-пам'ять, утворена виділенням і використанням деякої частини звичайного ОЗП спеціальними системними програмами. Цей вид пам'яті застосовується, наприклад, для буферизації даних при роботі з жорстким диском, з дисководом CD-ROM і іншими пристроями з метою збільшення швидкості обміну даними. Використовується ця пам'ять і деякими системними, і прикладними програмами. Якщо розмір кеш-пам'яті (L3) з ОЗП ще зовсім недавно встановлювався в розмірі 64 чи 128 Кбайт, то в даний час у зв'язку з загальним ростом величини оперативної пам'яті це часто 1024 Кбайт і більш.

Слід зазначити, що кеш-пам'ять (L1 і L2) крім розміру і рівня характеризується методом обробки даних. Найбільш сучасні варіанти кеш-пам'яті використовують метод зворотного запису (write-back) замість методу наскрізного запису (write-through). Кеш-пам'ять зворотного запису знижує завантаження шини передачі даних. Інформація в ОЗП поновлюється, тільки коли заміняються блок інформації в кеш-пам'яті. Кеш-пам'ять з наскрізним методом запису пересилає дані в ОЗП щораз, коли відбувається запис інформації процесором в ОЗП.

Крім описаних рівнів і варіантів кеш-пам'яті даний спосіб підвищення продуктивності за рахунок буферизації даних використовують деякі контролери вузлів і пристроїв уведення-виводу. Насамперед це стосується таких пристроїв, як диски. Використання для даних пристроїв у складі вбудованих контролерів кеш-пам'яті дозволяє значно підвищити швидкість обміну даними. Однак мікросхеми кеш-пам'яті цих пристроїв недоступні для модернізації і розширення розміру, ці елементи є невід'ємною частиною контролерів сучасних твердих дисків для ПК.

Перед проведенням робіт з розширення ОЗП і кеш-пам'яті необхідно ретельно ознайомитися з документацією ПК. Необхідно враховувати, що існують різні модулі ОЗП і кеш-пам'яті. Деякі з цих модулів можуть бути несумісними з обраним типом материнської плати ПК.