Επαρκή χωρητικότητα αποθήκευσης Αποδεκτό επίπεδο μέσης απόδοσης Χαμηλό μέσο κόστος ανά δυαδικό δ ψηφίο

Transcript

1 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ι Κεφάλαιο 51& Σύστημα μνήμης Αρχιτεκτονική Υπολογιστών,, Δημήτριος B. Νικολός, 2η η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού,, 2012

2 Κύριος Σκοπός κατά τη Σχεδίαση του Συστήματος Μνήμης Επαρκή χωρητικότητα αποθήκευσης Αποδεκτό επίπεδο μέσης απόδοσης Χαμηλό μέσο κόστος ανά δυαδικό δ ψηφίο Αρχιτεκτονική ήυ Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

3 Τεχνικές γα για την επίτευξη ευξη του σκοπού ού Χρησιμοποίηση η η ενός αριθμού από διαφορετικές μονάδες μνήμης με διαφορετικούς λόγους κόστους/απόδοσης / όδ που οργανώνονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να προσφέρουν υψηλή μέση απόδοση με χαμηλό μέσο κόστος. Οι μονάδες μνήμης σ αυτή την περίπτωση σχηματίζουν μια ιεραρχία ρχ που ονομάζεται ιεραρχία ρχ μνήμης Αρχιτεκτονική ήυ Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

4 Τεχνικές γα για την επίτευξη ευξη του σκοπού ού Ανάπτυξη ιδεατής-μνήμης ήμης (virtual-memory) it για να απελευθερωθεί θ ο χρήστης από την διαχείριση της μνήμης και να γίνουν τα προγράμματα ανεξάρτητα της διαμόρφωσης της φυσικής μνήμης Αρχιτεκτονική Υπολογιστών,, Δημήτριος B. Νικολός, 2η η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού,, 2012

5 Τεχνικές για την επίτευξη του σκοπού Αά Ανάπτυξη αυτόματων μεθόδων κατανομής του χώρου αποθήκευσης για να γίνει πιο αποδοτική χρήση του διαθέσιμου χώρου Αρχιτεκτονική ήυ Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

6 Ημιαγωγικές μνήμες Τεχνολογία ογ μνημών» Στατικές μνήμες άμεσης προσπέλασης (SRAM)» Δυναμικές μνήμες άμεσης προσπέλασης (DRAM)» Flash memories» Ημιαγωγικές γ μνήμες προσπελάσιμες ανάλογα με το περιεχόμενό τους (Content Addressable Memories, CAM) Μαγνητικές Μνήμες» Μνήμες μαγνητικών δίσκων» Μή Μνήμες μαγνητικής ταινίας Οπτικές Μνήμες Αρχιτεκτονική ήυ Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

7 Στατικές μνήμες μήμς άμεσης προσπέλασης ης( (SRAM) Κυψελίδες Αποκωδικοποιητές Κυκλώματα ενίσχυσης ηλεκτρικών σημάτων Αρχιτεκτονική ήυ Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

8 Λειτουργική περιγραφή ργρ της κυψελίδας στατικής ημιαγωγικής μνήμης άμεσης προσπέλασης Αρχιτεκτονική ήυ Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

9 Λειτουργική περιγραφή στατικής ημιαγωγικής γ μνήμης άμεσης προσπέλασης Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

10 Μη αποδοτική οργάνωση στατικής ημιαγωγικής γ μνήμης άμεσης προσπέλασης με ένα δυαδικό δ ψηφίο ανά θέση Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

11 Στατική μνήμη άμεσης προσπέλασης με χωρητικότητα η 256 δυαδικά ψηφία και ένα δυαδικό ψηφίο ανά θέση μνήμης Αρχιτεκτονική Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

12 Στατική μνήμη άμεσης προσπέλασης με χωρητικότητα η 256 δυαδικά δ ψηφία και 4 δυαδικά δ ψηφία ανά θέση μνήμης πλήθος γραμμών (πλήθος ( στηλών ανά ομάδα πλήθος ομάδων):8 (8 4) ) 8 ( ) Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

13 Δυναμικές ςμήμς μνήμες άμεσης προσπέλασης ης( (DRAM) Κυψελίδες» 1 τρανζίστορ ρ και 1 πυκνωτής Αποκωδικοποιητές Κυκλώματα ενίσχυσης ηλεκτρικών σημάτων Αναζωογόνηση (refreshing) Χρόνος κύκλου μγ μεγαλύτερος ρςτου χρόνου προσπέλασης Αρχιτεκτονική ήυ Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

14 Δυναμική μνήμη άμεσης προσπέλασης (DRAM) των 256 δυαδικών ψηφίων με 4 δυαδικά ψηφία ανά θέση Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

15 Xρονικό ρ ό διάγραμμα δά διευθυνσιοδότησης δό ης μιας DRAM για ανάγνωση Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

16 Ασύγχρονη DRAM με δυνατότητα γρήγορης ρης προσπέλασης ομάδας θέσεων που έχουν την ίδια διεύθυνση γραμμής Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

17 Χρονικό δά διάγραμμα γρήγορης ρης προσπέλαση ομάδας θέσεων της δυναμικής μνήμης Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

18 Δυναμικές ςμήμς μνήμες άμεσης προσπέλασης ης( (DRAM) Aσύγχρονεςύ ς Σύγχρονες (0 1), SDRAM Double Data Rate SDRAM, DDR-DRAM DRAM Αρχιτεκτονική ήυ Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

19 Περιγραφή ργρ του τρόπου προσπέλασης συσχετιστικής μνήμης Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

20 Δομή ημιαγωγικής γ μνήμης προσπελάσιμης βάσει του περιεχομένου της Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

21 Δομή κυψελίδας ημιαγωγικής γ μνήμης προσπελάσιμης βάσει του περιεχομένου της Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

22 Υπομονάδα αποθήκευσης δυαδικών δ ψηφίων μιας ημιαγωγικής γ μνήμης προσπελάσιμης βάσει του περιεχομένου της Αρχιτεκτονική Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός,2η 2 Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

23 Δομή κυψελίδας αποθήκευσης δυαδικού δ ψηφίου του κλειδιού, μίας ημιαγωγικής γ μνήμης μήμης προσπελάσιμης βάσει του περιεχομένου της Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

24 Δομή της υπομονάδας αποθήκευσης δυαδικών δ ψηφίων μιας ημιαγωγικής γ μνήμης προσπελάσιμης ανάλογα με το περιεχόμενό της στην οποία κάθε λέξη αποτελείται λί από τέσσαρα δυαδικά δ ψηφία, δύο εκ των οποίων, πάντα τα ίδια, αποτελούν το κλειδί Αρχιτεκτονική Υπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός,2η 2 Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

25 Μονάδα Μαγνητικού Δίσκου Χρόνος προσπέλασης (access time) χρόνος αναζήτησης ης (seek time) χρόνος αναμονής (latency time ή rotational ti delay) Αρχιτεκτονική Υπολογιστών,, Δημήτριος B. Νικολός, 2η η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού,, 2012

26 Ιεραρχία α Μνημών ΚΜΕ Μ 1 Μ 2 Μ 3 Μ 4 Μ K i >K i+1 (κόστος) ό τ i < τ i+1 (χρόνος ό ς προσπέλασης) ) Χ i < Χ i+1 (χωρητικότητα) ό Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

27 Ιεραρχική μνήμη δύο επιπέδων Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

28 Ιεραρχική ρχ μνήμη τριών επιπέδων (1) Αρ.Δεδ/Εντ : αρτηρία ρηρ δεδομένων και εντολών Αρ.Διευθ. :αρτηρία ρηρί διευθύνσεων Αρ.Εντ : αρτηρία ρηρ εντολών Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

29 Ιεραρχική ρχ μνήμη τριών ρώ επιπέδων (2) Αρ.Δεδ/Εντ : αρτηρία ρηρ δεδομένων και εντολών Αρ.Διευθ. :αρτηρία ρηρί διευθύνσεων Αρ.Εντ : αρτηρία ρηρ εντολών Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

30 Ιεραρχική μνήμη τεσσάρων επιπέδων Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

31 Τοπικότητα των Αναφορών Χώρο Χρόνο Αρχιτεκτονική Υπολογιστών,, Δημήτριος B. Νικολός, 2η η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού,, 2012

32 Σχεδιαστικοί σκοποί ο Ο σκοπός σο του σχεδιασμού της ιεραρχίας ας μνήμης είναι να πετύχουμε: Απόδοση που να προσεγγίζει γγζ όσο γίνεται περισσότερο ρ την πιο γρήγορη ρη διάταξη δά μνήμης Μ 1 και Κόστος ανά δυαδικό δ ψηφίο μνήμης που να προσεγγίζει όσο γίνεται περισσότερο τη φθηνότερη δά διάταξη μνήμης Μ ν Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

33 Απόδοση ιεραρχικής μνήμης (1) 1. Η σα στατιστική σ των αναφερόμενων αφερό ε διευθύνσεων, δε δηλαδή, η σειρά και η συχνότητα με την οποία τα προγράμματα που τρέχουν στο συγκεκριμένο υπολογιστικό σύστημα παράγουν τις διάφορες διευθύνσεις 2. Ο χρόνος προσπέλασης t i κάθε επιπέδου μνήμης Μ i 3. Η χωρητικότητα η αποθήκευσης κάθε επιπέδου 4. Το μέγεθος μγ των μπλοκ πληροφορίας ρ που μεταφέρονται μεταξύ διαδοχικών δ επιπέδων μνήμης μήμης Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012 i

34 Απόδοση ιεραρχικής μνήμης (2) 5. Η στρατηγική (allocation algorithm) που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό ρ των περιοχών της μνήμης Μ i στις οποίες θα μεταφερθούν μπλοκ πληροφορίας από την μνήμη Μ i+1 6. Στην περίπτωση που στη μνήμη M i δεν υπάρχει ελεύθερος λύθ χώρος, κάποιο μπλοκ πρέπει να μεταφερθεί θί στη μνήμη Μ i+1 ώστε να ελευθερωθεί θ χώρος στην M i (στρατηγική ρ ή αντικατάστασης) ) Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

35 Μέσο κόστος ανά δυαδικό δ ψηφίο ν ν 1 2 ν Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

36 Λόγος Επιτυχίας (hit ratio) o)( )(1) ) Ο λόγος επιτυχίας (hit ratio) E i της μονάδας μνήμης του επιπέδου i ορίζεται ως η πιθανότητα οποιαδήποτε πληροφορία ζητούμενη η από την ΚΜΕ να βρίσκεται ση στην μνήμη του επιπέδου i i Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

37 Λόγος Επιτυχίας (2) Για τον υπολογισμό της τιμής του Ε i πρέπει να τρέξουμε ρξ στον εν λόγω υπολογιστή αντιπροσωπευτικά προγράμματα και να μετρήσουμε μ το πλήθος των προσπελάσεων N 1, Ν 2 2,. N i-1 1, Ν i, της ιεραρχικής ρχ μνήμης που ικανοποιούνται αντίστοιχα από τα επίπεδα μνήμης 1, 2,, i-1 1, i. Τότε όε E = E i N 1 + N N i 1 + N N όπου Ν είναι το σύνολο των αναφορών αφορώ ση στην ιεραρχία ρχ μνήμης i Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

38 Χρόνος Προσπέλασης από το i+1 Επίπεδο Ιεραρχικής ρχ Μνήμης τ B : χρόνος μεταφοράς ενός μπλοκ πληροφορίας ρ της i μνήμης του επιπέδου i,, από το επίπεδο μνήμης i+1στο1 επίπεδο μνήμης i. τ 1 : χρόνος προσπέλασης της μνήμης του πρώτου επιπέδου. O χρόνος προσπέλασης από την ΚΜΕ μιας λέξης που βρίσκεται στη μνήμη του επιπέδου i+1 1 θα ισούται με: i+1 1 Τ =... i + 1 τ 1 + τ Β + τ τ = τ τ 2 Β 3 Β i Β j j=2 2 Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012

39 Μέσος Χρόνος Προσπέλασης Τ = T Ε + T(Ε Ε ) T (Ε Ε ) ν ν ν 1 ν = τ = 1 1 i=1 1 i i-1 i 1 1 με Τ=ττ, Ε 0 =0 και Ε ν =1 Ο όρος Ε i - E i-1 1 δηλώνει την πιθανότητα η απαίτηση η να ικανοποιηθεί θί από το επίπεδο i και όχι από το επίπεδο i-1 1 Αρχιτεκτονική ήυπολογιστών, Δημήτριος B. Νικολός, 2η Έκδοση, Έκδοση Δ. Β. Νικολού, 2012